分享：焊后热处理对２０G钢焊接接头残余应力的影响

陈树明１,２,王海燕１,２,姚兆凤２,高世一３,房卫萍３

(内蒙古科技大学１．白云鄂博矿多金属资源综合利用重点实验室;２．材料与冶金学院,包头 ０１４０１０;

３．广东省工业技术研究院,广东省现代焊接技术重点实验室,广州 ５１０６５０)

摘 要:采用 X射线应力分析仪和电子背散射衍射仪(EBSD)等分别研究了热处理前后２０G 钢焊接接头的表面残余应力和微区残余应力.结果表明:热处理前后焊接接头的表面残余应力均以焊缝为中心呈对称分布,且随距焊缝中心距离的增大而下降,热处理后的平均残余应力比热处理前的降低了７．２１％;热处理后焊接接头焊缝区、热影响区和母材区的晶粒发生再结晶转变,晶粒得到细化;再结晶导致局域取向错配角的平均值减小,微观残余应力得到释放,且分布更为均匀,但焊缝区的微观残余应力依然较高。

关键词:２０G 钢;焊后热处理;残余应力

中图分类号:TG１４２．１ 文献标志码:A 文章编号:１０００Ｇ３７３８(２０１７)１０Ｇ０００７Ｇ０４

０ 引 言

用２０G 钢制造各类管件时,通常都要经历焊接加工,由于焊接过程中存在不均匀温度场和由它引起的局部塑性变形,再加上不同组织的比热容不同,

因此接头中会产生焊接残余应力.一般可采用焊后热处理来消除焊接残余应力,并细化晶粒,改善焊接接头的性能[２Ｇ６].然而目前研究表明,在进行了焊后热处理的２０G 钢接头中还存在着热影响区、焊缝区晶粒尺寸较大,残余应力较大等问题.

１ 试样制备与试验方法

试验材料为?２１９ mm、壁厚１６ mm 的某电站锅炉用２０G 钢管,其化学成分见表１.在２０G 钢管上取样,采用 K５８４ch型管道闪光焊机进行对接焊接,焊接工艺参数见表２.表中:v１~v５ 为加速闪光阶段工件前进的５个阶段的进给速度;Ia,Ib,Ic 分别为激发闪光、稳定闪光、加速闪光三个阶段的控制电流.焊接完成后,对焊接接头进行１０００ ℃保温３min空冷正火热处理.

    在热处理前后的焊接接头上,以焊缝熔合线为中心截取尺寸为２２mm×８mm×１mm 的试样,表面无需处理,用 XＧStress３０００型 X 射线应力分析仪测表面残余应力[１７],采用铬靶,扫描步距为０．１°,计数时间为１．５s,以焊缝为中心每隔２mm 取点测试.分别在焊缝区、热影响区和母材区沿垂直于焊缝方向截取尺寸为８mm×８mm×１mm 的试样,先进行机械抛光,再在质量分数为２０％高氯酸甲醇溶液中进行电解抛光(电压为１２V),然后取出用去离子 水 冲 洗,无 水 乙 醇 清 洗 后 吹 干,用 ZeissSupra５５型场发射扫描电子显微镜附带的 EBSD 组件,结合 HKLChannel５软件包进行微区残余应力分析,获得试样的取向成像图(OIM)和局域取向错配角(KAM)分布图,EBSD 扫描步长为１．５μm,电压为２０kV。

２ 试验结果与讨论

２．１ 对表面残余应力的影响

    焊接残余应力是由焊接导致的温度不均匀分布造成的,属 于 宏 观 应 力.由 于 局 部 加 热 和 随 后的迅速冷却,接 头 处 显 微 组 织 会 发 生 变 化 产 生 相变应力,再加 上 在 焊 接 过 程 中 热 量 向 母 材 区 的 转移还会形成 热 应 力,因 此 焊 接 残 余 应 力 为 热 应 力和相变应力的叠加.

图１ 热处理前后焊接接头的残余应力随距焊缝中心距离的变化曲线

Fig．１ Curvesofresidualstressvsdistancefromweldcenterofthe

weldedjointbeforeandafterheatＧtreatment

    由图１可以看出:随着距焊缝中心距离的增大,未经热处理的焊接接头的残余拉应力呈下降趋势,最终转变成了残余压应力,且残余应力基本以焊缝为中心呈对称分布,最大残余拉应力分布在焊缝区,最大残余压应力位于远离焊缝的母材区;经热处理后,焊接接头的残余应力均为拉应力,最大残余拉应力分布在焊缝区,远离焊缝的热影响区残余拉应力较小;未经热处理接头的残余应力波动较剧烈,各区域残余应力差值较大,经热处理后,残余应力的变化较为平缓,其差值最大约为１５３．２ MPa,比未经热处理的(４６７．３MPa)减小了６７．２２％;未经热处理接头的平 均 残 余 应 力 为 １７４．３９ MPa,热 处 理 后 的 为１６１．８１MPa,减小了７．２１％.２．２ 对微观残余应力的影响由于晶粒取向不同而产生的残余应力是微观残余应力的一种.取向差成像法是一种塑性变形可视化的方 法,其 表 征 逐 步 由 宏 观 尺 度 优 化 到 微观尺度[１８].

    OIM 图可以反映出每个晶粒的取向和晶粒大小[１９].由图２可以看出,热处理后,焊接接头不同区域的晶粒细化非常明显.这说明在热处理过程中发生了再结晶转变,新晶粒利用原始晶界的迁移在晶界处形核形成再结晶晶粒,细化了晶粒.晶粒的再结晶在一定程度上释放了接头部分的残余应力.

Fig.２ Orientationimagemapsofweldzone a d heatＧaffectedzone b e andbasemetal c f ofweldedjointbefore a－candafter d－f heatＧtreatment

    KAM 值用于表征测试点与参考点的取向差,而取向差分布可以反映晶粒内部变形产生的局部旋转度.KAM 值即取向差值越大,晶粒内部变形越大,晶格扭转越严重.EBSD 能够分析 KAM 值的演变,通过EBSD数据重新编程处理,将其以不同的方式表现,可以得到单个晶粒、整体以及任意角度及面的 KAM 分布图[２０].

    图３中对比度由白色向黑色的变化代表 KAM值由大到小,即微观残余应力由大到小的变化.由图３可以看出:未进行热处理的焊接接头中,焊缝区、热影响区和母材区有大块的亮白色区域,说明存在着较大的微观残余应力;在热处理之后,可以看到这３个区域的亮度均减小,灰色区域所占比例增加且分布均匀,尤其是在热影响区和母材区,亮度明显下降,说明热处理后接头中的微观残余应力比热处理之前的低,且分布更为均匀,但是焊缝区的微观残余应力依然处于比较高的水平.

    综上所述,热处理后,焊接接头焊缝区、热影响区和母材区发生再结晶转变,晶粒得到细化,再结晶转变使得参考点和测量点之间的平均取向差减小,微观残余应力减小;热处理后热影响区和母材区的残余应力降低,但焊缝区仍存在比较高的残余应力.

３ 结 论

    (１)随着距焊缝中心距离的增大,未经热处理的焊接接头的残余拉应力呈下降趋势,最终转变成了残余压应力,且残余应力基本以焊缝为中心呈对称分布,其波动较剧烈,各区域残余应力差值较大,最大达４６７．３ MPa,平 均 残 余 应 力 为 １７４．３９ MPa;热 处 理后,焊接接头残余应力均为拉应力,残余应力仍然以焊缝为中心呈对称分布,其变化趋势较为平缓,各区域 残余应力差值最大为１５３．２MPa,平均残余应力.为１６１．８１MPa,分别比未热处理的减小了６７．２２％,７．２１％.

    (２)热处理后,接头中焊缝区和热影响区原本粗大的晶粒发生了再结晶,晶粒细化非常明显;由KAM 图可以看出各区域参考点和测量点之间的平均取向差减小,微观残余应力减小,且分布更为均匀;热处理后,热影响区和母材区的微观残余应力降低,但焊缝区仍存在比较高的残余应力。

（文章来源：材料与测试网）