陳樹明１,２,王海燕１,２,姚兆鳳２,高世一３,房衛(wèi)萍３

(內(nèi)蒙古科技大學１．白云鄂博礦多金屬資源綜合利用重點實驗室;２．材料與冶金學院,包頭 ０１４０１０;

３．廣東省工業(yè)技術(shù)研究院,廣東省現(xiàn)代焊接技術(shù)重點實驗室,廣州 ５１０６５０)

摘 要:采用 X射線應力分析儀和電子背散射衍射儀(EBSD)等分別研究了熱處理前后２０G 鋼焊接接頭的表面殘余應力和微區(qū)殘余應力.結(jié)果表明:熱處理前后焊接接頭的表面殘余應力均以焊縫為中心呈對稱分布,且隨距焊縫中心距離的增大而下降,熱處理后的平均殘余應力比熱處理前的降低了７．２１％;熱處理后焊接接頭焊縫區(qū)、熱影響區(qū)和母材區(qū)的晶粒發(fā)生再結(jié)晶轉(zhuǎn)變,晶粒得到細化;再結(jié)晶導致局域取向錯配角的平均值減小,微觀殘余應力得到釋放,且分布更為均勻,但焊縫區(qū)的微觀殘余應力依然較高。

關(guān)鍵詞:２０G 鋼;焊后熱處理;殘余應力

中圖分類號:TG１４２．１ 文獻標志碼:A 文章編號:１０００Ｇ３７３８(２０１７)１０Ｇ０００７Ｇ０４

０ 引 言

用２０G 鋼制造各類管件時,通常都要經(jīng)歷焊接加工,由于焊接過程中存在不均勻溫度場和由它引起的局部塑性變形,再加上不同組織的比熱容不同,

因此接頭中會產(chǎn)生焊接殘余應力.一般可采用焊后熱處理來消除焊接殘余應力,并細化晶粒,改善焊接接頭的性能[２Ｇ６].然而目前研究表明,在進行了焊后熱處理的２０G 鋼接頭中還存在著熱影響區(qū)、焊縫區(qū)晶粒尺寸較大,殘余應力較大等問題.

１ 試樣制備與試驗方法

試驗材料為?２１９ mm、壁厚１６ mm 的某電站鍋爐用２０G 鋼管,其化學成分見表１.在２０G 鋼管上取樣,采用 K５８４ch型管道閃光焊機進行對接焊接,焊接工藝參數(shù)見表２.表中:v１~v５ 為加速閃光階段工件前進的５個階段的進給速度;Ia,Ib,Ic 分別為激發(fā)閃光、穩(wěn)定閃光、加速閃光三個階段的控制電流.焊接完成后,對焊接接頭進行１０００ ℃保溫３min空冷正火熱處理.

    在熱處理前后的焊接接頭上,以焊縫熔合線為中心截取尺寸為２２mm×８mm×１mm 的試樣,表面無需處理,用 XＧStress３０００型 X 射線應力分析儀測表面殘余應力[１７],采用鉻靶,掃描步距為０．１°,計數(shù)時間為１．５s,以焊縫為中心每隔２mm 取點測試.分別在焊縫區(qū)、熱影響區(qū)和母材區(qū)沿垂直于焊縫方向截取尺寸為８mm×８mm×１mm 的試樣,先進行機械拋光,再在質(zhì)量分數(shù)為２０％高氯酸甲醇溶液中進行電解拋光(電壓為１２V),然后取出用去離子 水 沖 洗,無 水 乙 醇 清 洗 后 吹 干,用 ZeissSupra５５型場發(fā)射掃描電子顯微鏡附帶的 EBSD 組件,結(jié)合 HKLChannel５軟件包進行微區(qū)殘余應力分析,獲得試樣的取向成像圖(OIM)和局域取向錯配角(KAM)分布圖,EBSD 掃描步長為１．５μm,電壓為２０kV。

２ 試驗結(jié)果與討論

２．１ 對表面殘余應力的影響

    焊接殘余應力是由焊接導致的溫度不均勻分布造成的,屬 于 宏 觀 應 力.由 于 局 部 加 熱 和 隨 后的迅速冷卻,接 頭 處 顯 微 組 織 會 發(fā) 生 變 化 產(chǎn) 生 相變應力,再加 上 在 焊 接 過 程 中 熱 量 向 母 材 區(qū) 的 轉(zhuǎn)移還會形成 熱 應 力,因 此 焊 接 殘 余 應 力 為 熱 應 力和相變應力的疊加.

圖１ 熱處理前后焊接接頭的殘余應力隨距焊縫中心距離的變化曲線

Fig．１ Curvesofresidualstressvsdistancefromweldcenterofthe

weldedjointbeforeandafterheatＧtreatment

    由圖１可以看出:隨著距焊縫中心距離的增大,未經(jīng)熱處理的焊接接頭的殘余拉應力呈下降趨勢,最終轉(zhuǎn)變成了殘余壓應力,且殘余應力基本以焊縫為中心呈對稱分布,最大殘余拉應力分布在焊縫區(qū),最大殘余壓應力位于遠離焊縫的母材區(qū);經(jīng)熱處理后,焊接接頭的殘余應力均為拉應力,最大殘余拉應力分布在焊縫區(qū),遠離焊縫的熱影響區(qū)殘余拉應力較小;未經(jīng)熱處理接頭的殘余應力波動較劇烈,各區(qū)域殘余應力差值較大,經(jīng)熱處理后,殘余應力的變化較為平緩,其差值最大約為１５３．２ MPa,比未經(jīng)熱處理的(４６７．３MPa)減小了６７．２２％;未經(jīng)熱處理接頭的平 均 殘 余 應 力 為 １７４．３９ MPa,熱 處 理 后 的 為１６１．８１MPa,減小了７．２１％.２．２ 對微觀殘余應力的影響由于晶粒取向不同而產(chǎn)生的殘余應力是微觀殘余應力的一種.取向差成像法是一種塑性變形可視化的方 法,其 表 征 逐 步 由 宏 觀 尺 度 優(yōu) 化 到 微觀尺度[１８].

    OIM 圖可以反映出每個晶粒的取向和晶粒大小[１９].由圖２可以看出,熱處理后,焊接接頭不同區(qū)域的晶粒細化非常明顯.這說明在熱處理過程中發(fā)生了再結(jié)晶轉(zhuǎn)變,新晶粒利用原始晶界的遷移在晶界處形核形成再結(jié)晶晶粒,細化了晶粒.晶粒的再結(jié)晶在一定程度上釋放了接頭部分的殘余應力.

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

    KAM 值用于表征測試點與參考點的取向差,而取向差分布可以反映晶粒內(nèi)部變形產(chǎn)生的局部旋轉(zhuǎn)度.KAM 值即取向差值越大,晶粒內(nèi)部變形越大,晶格扭轉(zhuǎn)越嚴重.EBSD 能夠分析 KAM 值的演變,通過EBSD數(shù)據(jù)重新編程處理,將其以不同的方式表現(xiàn),可以得到單個晶粒、整體以及任意角度及面的 KAM 分布圖[２０].

    圖３中對比度由白色向黑色的變化代表 KAM值由大到小,即微觀殘余應力由大到小的變化.由圖３可以看出:未進行熱處理的焊接接頭中,焊縫區(qū)、熱影響區(qū)和母材區(qū)有大塊的亮白色區(qū)域,說明存在著較大的微觀殘余應力;在熱處理之后,可以看到這３個區(qū)域的亮度均減小,灰色區(qū)域所占比例增加且分布均勻,尤其是在熱影響區(qū)和母材區(qū),亮度明顯下降,說明熱處理后接頭中的微觀殘余應力比熱處理之前的低,且分布更為均勻,但是焊縫區(qū)的微觀殘余應力依然處于比較高的水平.

    綜上所述,熱處理后,焊接接頭焊縫區(qū)、熱影響區(qū)和母材區(qū)發(fā)生再結(jié)晶轉(zhuǎn)變,晶粒得到細化,再結(jié)晶轉(zhuǎn)變使得參考點和測量點之間的平均取向差減小,微觀殘余應力減小;熱處理后熱影響區(qū)和母材區(qū)的殘余應力降低,但焊縫區(qū)仍存在比較高的殘余應力.

３ 結(jié) 論

    (１)隨著距焊縫中心距離的增大,未經(jīng)熱處理的焊接接頭的殘余拉應力呈下降趨勢,最終轉(zhuǎn)變成了殘余壓應力,且殘余應力基本以焊縫為中心呈對稱分布,其波動較劇烈,各區(qū)域殘余應力差值較大,最大達４６７．３ MPa,平 均 殘 余 應 力 為 １７４．３９ MPa;熱 處 理后,焊接接頭殘余應力均為拉應力,殘余應力仍然以焊縫為中心呈對稱分布,其變化趨勢較為平緩,各區(qū)域 殘余應力差值最大為１５３．２MPa,平均殘余應力.為１６１．８１MPa,分別比未熱處理的減小了６７．２２％,７．２１％.

    (２)熱處理后,接頭中焊縫區(qū)和熱影響區(qū)原本粗大的晶粒發(fā)生了再結(jié)晶,晶粒細化非常明顯;由KAM 圖可以看出各區(qū)域參考點和測量點之間的平均取向差減小,微觀殘余應力減小,且分布更為均勻;熱處理后,熱影響區(qū)和母材區(qū)的微觀殘余應力降低,但焊縫區(qū)仍存在比較高的殘余應力。

（文章來源：材料與測試網(wǎng)）