陳樹明１,２,王海燕１,２,姚兆鳳２,高世一３,房衛萍３

(內蒙古科技大學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．廣東省工業技術研究院,廣東省現代焊接技術重點實驗室,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殘余應力.結果表明: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、熱影響區和母材區的晶粒發生再結晶轉變,晶粒得到細化;再結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,但焊縫區的微觀殘余應力依然較高。

關鍵詞: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、焊縫區晶粒尺寸較大,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 分別為激發閃光、穩定閃光、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°,計數時間為１．５s,以焊縫為中心每隔２mm 取點測試.分別在焊縫區、熱影響區和母材區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,再在質量分數為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型場發射掃描電子顯微鏡附帶的 EBSD 組件,結合 HKLChannel５軟件包進行微區殘余應力分析,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 生 變 化 產 生 相變應力,再加 上 在 焊 接 過 程 中 熱 量 向 母 材 區 的 轉移還會形成 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,未經熱處理的焊接接頭的殘余拉應力呈下降趨勢,最終轉變成了殘余壓應力,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,最大殘余壓應力位于遠離焊縫的母材區;經熱處理后,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,遠離焊縫的熱影響區殘余拉應力較小;未經熱處理接頭的殘余應力波動較劇烈,各區域殘余應力差值較大,經熱處理后,殘余應力的變化較為平緩,其差值最大約為１５３．２ MPa,比未經熱處理的(４６７．３MPa)減小了６７．２２％;未經熱處理接頭的平 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 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,焊接接頭不同區域的晶粒細化非常明顯.這說明在熱處理過程中發生了再結晶轉變,新晶粒利用原始晶界的遷移在晶界處形核形成再結晶晶粒,細化了晶粒.晶粒的再結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部變形產生的局部旋轉度.KAM 值即取向差值越大,晶粒內部變形越大,晶格扭轉越嚴重.EBSD 能夠分析 KAM 值的演變,通過EBSD數據重新編程處理,將其以不同的方式表現,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、熱影響區和母材區有大塊的亮白色區域,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個區域的亮度均減小,灰色區域所占比例增加且分布均勻,尤其是在熱影響區和母材區,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、熱影響區和母材區發生再結晶轉變,晶粒得到細化,再結晶轉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;熱處理后熱影響區和母材區的殘余應力降低,但焊縫區仍存在比較高的殘余應力.

３ 結 論

    (１)隨著距焊縫中心距離的增大,未經熱處理的焊接接頭的殘余拉應力呈下降趨勢,最終轉變成了殘余壓應力,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,接頭中焊縫區和熱影響區原本粗大的晶粒發生了再結晶,晶粒細化非常明顯;由KAM 圖可以看出各區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,熱影響區和母材區的微觀殘余應力降低,但焊縫區仍存在比較高的殘余應力。

（文章來源：材料與測試網）