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退火和激光沖擊處理對不銹鋼管焊接接頭殘余應力及力學性能的影響
發布者:不銹鋼管廠(www.9241989.buzz) 發布時間:2020/5/15 閱讀:625

 浙江宏盛特鋼有限公司研究了退火和激光沖擊處理對不銹鋼管焊接接頭殘余應力及力學性能的影響。對焊件分別采取250、500℃退火及激光沖擊后,利用盲孔法測出不銹鋼管焊接接頭的殘余應力分別下降了153、237及275MPa;激光沖擊與退火處理方法相比,激光沖擊產生的彌散分布的馬氏體組織,更能提高焊接接頭的硬度;經過500℃退火的不銹鋼管焊接接頭的抗拉強度提高了53MPa,其焊縫沖擊功及熱影響區沖擊功比未經處理的分別提高了9和12J。

 由于汽車制造業的不斷進步和升級,各類車輛在保證汽車品質的情況下,追求汽車的輕量化,以期降低汽車重量,提高汽車的經濟性和使用壽命。高強度不銹鋼管由于其具有優異的綜合力學性能及良好的焊接性能,在汽車制造及船舶等領域有著廣泛的應用。低合金高強鋼在焊接的過程中,由于熔池中金屬液從液態轉變為固態,同時冷卻時間較短,在此過程中,不可避免在焊接區域產生一定的殘余應力。殘余應力的存在,不僅在一定程度上降低構件的使用壽命,嚴重時在外加載荷的影響下可能引起斷裂。對焊件進行一定的焊后處理,將有效地消除不銹鋼管焊件內部存在的殘余應力,同時能夠改善焊件的品質。隨著工藝技術的發展進步,對焊件的處理選擇的方式也存在多樣性,如超聲波沖擊也可以降低焊件內部的殘余應力。激光技術在近幾年來發展尤為迅猛,激光沖擊金屬表面后,將使金屬內部組織產生相應的變化。宏盛特鋼試圖研究退火和激光沖擊兩種處理方式對焊接接頭殘余應力及其力學性能的影響。

一、試驗材料與方法

 選用屈服強度大于460MPa的不銹鋼管母材,采用錳-鎳-鉬系焊絲,選用SJ301燒結焊劑,對尺寸為300mm×150mm×15mm的不銹鋼管進行對接埋弧焊。焊接前,將試板開60°V形坡口并清洗干凈;焊接完成后,將其分為4組,分別為1#焊件不進行消應力處理,2#焊件加熱至250℃保溫60min,3#焊件加熱至500℃保溫60min,4#焊件采用YAG激光器對焊縫中心線兩側20mm區域內進行激光沖擊,沖擊速率為100mm/s,整機功率為0.5kW,整個過程采用Ar保護。采用盲孔法對焊接試件進行測應力,測試點如圖所示。從焊接試件上取樣進行顯微組織觀察及力學性能測試。

二、試驗結果及分析

 1. 焊接接頭殘余應力分析

   圖為焊接接頭的殘余應力分布圖。從圖可知,1#、2#、3#、4#焊接接頭的縱向殘余應力分布各有所不同。對于焊接后未經處理的1#焊件,其殘余應力值焊縫中心處為300MPa,距焊縫中心10mm位置增至為321MPa,原因是焊趾處由于熔融金屬液與基體接觸,凝固時受基體影響大,故其殘余應力較焊縫中心處高;在不銹鋼管焊件熱影響區為244MPa,達到了母材屈服強度的53%,故在焊件冷卻過程中,對不銹鋼管焊件進行一定的保溫緩冷對焊件品質也有重要影響。2#和3#焊接接頭分別經過250、500℃退火處理后,在焊縫中心處其焊接殘余應力分別為168、83.1MPa,相比未經退火處理的焊接試樣,應力分別消除了153、237MPa;隨著離焊縫中心越遠,焊接殘余應力逐漸降低而趨于50MPa。在較低的溫度下進行低溫退火處理(2#焊件),能夠有效地對焊接過程中由于金屬液凝固順序差異產生的機械應力進行松弛,而焊件內部在焊接過程中產生的晶間應力無法被有效消除,但是焊件依舊保持較高的強度,故低溫退火處理不僅能有效消除應力,而且能夠保持形狀,避免引起相應的變形;退火溫度越高,不僅能緩解其凝固產生的機械應力,而且焊件內部的結構發生一定的改變,消除其由于晶格畸變產生應力,從而達到更好的應力狀態。對于4#焊件,其應力分布狀態呈現出先增大后減小的趨勢,在焊縫中心處其殘余應力值為46MPa,在距焊縫中心30mm區域內,殘余應力逐漸升高,超出30mm以外,其焊接殘余應力逐步與未經處理的試樣殘余應力一致,說明經高能激光沖擊后,由于其溫度集中和沖擊范圍有限,造成其熱影響區有限。同時沖擊區域焊件溫度迅速升高,在此區域相當于進行局部退火處理,由于焊接區域的組織結構與母材存在一定差異,故焊縫區與母材區存在不同的溫度梯度,從而造成了圖中的焊件結構應力分布狀態。激光沖擊不同于傳統的退火工藝,在短暫的沖擊后,能夠在焊件表面產生一層細晶區,不僅能夠在一定程度改善強度,同時能提高其耐磨耐沖擊性能,提高其服役期限。圖2(b)中的橫向殘余應力分布趨勢與縱向較一致,經過退火處理和激光沖擊后,都能有效地消除焊件的殘余應力,提高其服役期限。

 2. 焊接接頭的金相組織分析

  圖所示分別為未經處理的1#試樣,分別經250和500℃保溫60分鐘退火的2#與3#試樣以及經激光沖擊的4#試樣的金相組織。1#、2#及3#試樣內部的馬氏體分布及形態具有一定的差異,經退火處理的試樣馬氏體較未經處理的1#試樣分布更均勻彌散,4#試樣表層經激光沖擊之后,表層馬氏體組織分布更為彌散。由此可知,經過退火處理之后,焊件內部將發生一定的相變,得到回火馬氏體組織,這樣不僅能能使馬氏體分布更為均勻,同時釋放焊件在焊件過程中產生的殘余應力;焊件經較高能量的激光沖擊之后,焊件表層發生重新凝固,由于冷卻時間短,故在金屬表層得到彌散的馬氏體組織。

 3. 焊接接頭的力學性能分析

  a. 焊接接頭硬度

  表為不銹鋼管焊接接頭的表面硬度值。經退火處理后的2#、3#相比1#的硬度要低,而4#試樣被激光沖擊后,材料表面受到細晶強化的影響,其硬度并沒有降低。

  b. 焊接接頭的拉伸性能

  根據GB2649-89分別對1#、2#、3#、4#焊件進行取樣,每個試樣取3個,在常溫下以1mm/min的拉伸速度進行試驗,然后取平均值,表為焊件接頭的抗拉強度。經過退火處理的2#與3#焊接接頭的抗拉強度比未經處理的焊接接頭強度分別要高28與53MPa。

  c. 焊件接頭的沖擊韌性

  焊件接頭沖擊韌性試驗依據GBT2650-2008制取V型缺口沖擊試樣,表為焊縫區及熱影響區的沖擊試驗結果。經退火處理后的2#試樣其焊縫沖擊功比1#增加4J,2#試樣其熱影響區沖擊功比1#增加5J,3#焊縫和熱影響區沖擊功比1#分別增加了9和12J,說明經退火處理后,釋放了其內部應力,改善了焊縫內部的組織結構,提高了材料的沖擊韌性。由于激光沖擊存在熱量集中及熱影響區有限等特點,導致其焊縫沖擊功有較明顯的增加,但是其熱影響去的沖擊韌性較未處理試樣區別不大。

三、結論

  1. 對不銹鋼管焊件進行250、500℃退火處理和激光沖擊后,能夠有效降低其內部產生的焊接殘余應力,在焊縫中心處其殘余應力分別下降了153、237及275MPa,相對退火處理,激光沖擊在釋放焊接殘余應力上更為明顯。

  2. 對不銹鋼管焊件采取退火處理后,焊件內部的機械應力能夠得到有效釋放,能夠提高焊件接頭的抗拉伸性能和沖擊功,如3#試樣的抗拉強度提高了53MPa,焊縫沖擊功和熱影響區沖擊功分別提高了9和12J。

 
 

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