振動(dòng)時(shí)效處理和消應(yīng)力熱處理對(duì)304L不銹鋼焊接殘余應(yīng)力的影響

王志剛 張建曉 王慶江

摘要：奧氏體不銹鋼在腐蝕性介質(zhì)中工作時(shí)，若焊接接頭存在殘余應(yīng)力易產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕裂紋，需進(jìn)行消應(yīng)力處理。文中對(duì)不同的消應(yīng)力方法及其組合對(duì)304L 不銹鋼焊接接頭殘余應(yīng)力的影響進(jìn)行了試驗(yàn)研究。結(jié)果表明，單純的消應(yīng)力熱處理方式和進(jìn)行機(jī)械振動(dòng)時(shí)效處理均可有效去除焊縫及焊趾的峰值應(yīng)力，應(yīng)力峰值下降相當(dāng)，采用消應(yīng)力熱處理方式消應(yīng)力相對(duì)比較均勻;采用振動(dòng)時(shí)效+消應(yīng)力熱處理的方式與單純的振動(dòng)時(shí)效處理相比，應(yīng)力峰值下降不明顯，與先退火后振動(dòng)時(shí)效相比，焊縫處應(yīng)力峰值略有下降;采用消應(yīng)力熱處理+振動(dòng)時(shí)效的方式，相比較單純消應(yīng)力熱處理應(yīng)力峰值下降明顯。

關(guān)鍵詞：消應(yīng)力熱處理;304L不銹鋼;殘余應(yīng)力;振動(dòng)時(shí)效

中圖分類號(hào)： TG404????? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A文章編號(hào)：1001-2303（2022）02-0103-06

Influence of Vibration Aging Treatment and Stress Relief Annealing on Welding Residual Stress of 304L Stainless Steel

WANG Zhigang1，2， ZHANG Jianxiao1，2， WANG Qingjiang3

1. Lanzhou Lanshi Heavy Equipment Co.， Ltd.， Lanzhou 730314， China

2. Key Laboratory of Pressure Vessel Special Materials Welding in Gansu Province， Lanzhou 730314， China

3. Harbin Well Welding Co.， Ltd.， Harbing 150028， China

Abstract： When austenitic stainless steel works in corrosive medium， it is easy to generate stress corrosion crack if residual stress exists in welded joint， so stress relief treatment is needed. The influence of different stress relieving methods and their combinations on residual stress of 304L stainless steel welded joint are studied experimentally. The results show that both the simple stress relief annealing method and the mechanical vibration aging treatment can effectively relieve the peak stress of the weld and weld toe， the stress peak drops are equivalent， and the stress relief annealing method relieves stress more uni‐ formly. Compared with the simple vibration aging treatment， the decrease of stress peak of vibration aging + stress relief an‐ nealing method are not obvious， compared with the vibration aging after the first annealing， the stress peak of the weld re‐ duces slightly. Compared with the simple stress relief annealing method， the stress relief annealing + vibration aging method results in a significant decrease in the stress peak.

Keywords： stress relief annealing;304L stainless steel; residual stress; vibration aging

本文引用格式：王志剛，張建曉，王慶江.振動(dòng)時(shí)效處理和消應(yīng)力熱處理對(duì)304L不銹鋼焊接殘余應(yīng)力的影響[J]. 電焊機(jī)，2022，52（02）：103-108.

Citation：WANGZhigang， ZHANG Jianxiao， WANG Qingjiang. Vibratory Stress Relief and Stress Relief Annealing On Stainless Steel Influence of Welding Residual Stress[J]. Electric Welding Machine， 2022， 52（02）：103-108.

0? 前言

奧氏體不銹鋼無磁性、韌性好，具有良好的蠕變抗力。當(dāng)奧氏體不銹鋼中殘留有拉應(yīng)力時(shí)，易產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕裂紋。奧氏體不銹鋼焊后消應(yīng)力熱處理可以減少殘余應(yīng)力，降低應(yīng)力腐蝕開裂敏感性，但焊后熱處理不當(dāng)時(shí)，則會(huì)加劇晶間腐蝕或σ相析出造成脆化。奧氏體不銹鋼加熱到900℃才能充分消除應(yīng)力，溫度低于870℃時(shí)，只能消除部分應(yīng)力，緩慢冷卻也能有效地消除應(yīng)力[1]。

振動(dòng)時(shí)效（Vibratory Stress Relief，VSR）又稱振動(dòng)消除應(yīng)力，主要是通過控制激振器的轉(zhuǎn)速和偏心使工件發(fā)生共振，讓工件需時(shí)效的部位產(chǎn)生一定幅度，一定周期的交變運(yùn)動(dòng)并吸收能量，使工件內(nèi)部發(fā)生微觀粘彈塑性力學(xué)變化，從而降低工件的局部峰值應(yīng)力和均化工件的殘余應(yīng)力場(chǎng)[2-6]。

周金枝等[7]研究了表面不銹鋼304材料550℃下的殘余應(yīng)力，最大值低于1/3屈服極限;饒德林等[8]研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過振動(dòng)時(shí)效304L大底板的最大殘余應(yīng)力平均值由175 MPa下降到120 MPa，下降量為31%;鐘誠等[11]研究發(fā)現(xiàn)奧氏體不銹鋼因其低導(dǎo)熱性和大膨脹系數(shù)會(huì)導(dǎo)致較高的殘余應(yīng)力，通過試驗(yàn)和數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)奧氏體不銹鋼最大焊接殘余應(yīng)力接近甚至超過材料的非比例延伸強(qiáng)度，對(duì)奧氏體不銹鋼進(jìn)行消應(yīng)力處理具有重要意義。

文中采用低溫退火和機(jī)械振動(dòng)時(shí)效兩種不同方法及其組合方法對(duì)304L不銹鋼焊接接頭進(jìn)行消應(yīng)力處理，并采用盲孔法測(cè)試殘余應(yīng)力，研究不同處理方法對(duì)不銹鋼焊接接頭殘余應(yīng)力的影響。對(duì)不銹鋼的應(yīng)力消除量與消應(yīng)力溫度等進(jìn)行了研究

1? 試驗(yàn)材料及方法

1.1? 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用試板尺寸為1 200 mm×240 mm×40 mm，材質(zhì)為304L不銹鋼。焊材選用直徑3.2 mm的E308L不銹鋼焊條。板材和焊材的化學(xué)成分如表1所示，焊接工藝參數(shù)如表2所示，304L不銹鋼力學(xué)性能如表3所示，試件實(shí)物如圖1所示，接頭的坡口采用U型，如圖2所示。

1.2? 試驗(yàn)方法

將1 200 mm×240 mm×40 mm試件焊接完成后切割成規(guī)格為600 mm×240 mm×40 mm的兩件，分別標(biāo)為1#、2#試件。其中1#試件依次經(jīng)過三個(gè)狀態(tài)：焊態(tài)、560℃×2 h熱處理、振動(dòng)時(shí)效態(tài);2#試件依次經(jīng)過三個(gè)狀態(tài)：焊態(tài)、振動(dòng)時(shí)效態(tài)、560℃×2 h消應(yīng)力熱處理。消應(yīng)力工藝參數(shù)為：電爐型號(hào)RT-3-60，額定功率60 kW，頻率50 Hz，額定溫度1 100℃，工作室尺寸1 000 mm×600 mm×500 mm。裝爐溫度小于400℃不控溫，以55℃/h 的速度升溫至560℃保溫2 h，再以55℃/h 的速度降至400℃以下出爐空冷。

振動(dòng)時(shí)效處理如圖3、圖4所示，振動(dòng)時(shí)效設(shè)備主要由主機(jī)、激振器、拾振器組成。激振器是振動(dòng)時(shí)效的激振源，其安裝位置要求平整光滑，剛性較大，一般安裝在工件的端、角部位[7-9]。文中工件較小，安裝如圖4所示。將1#和2#試件固定在一起進(jìn)行振動(dòng)時(shí)效，總處理時(shí)間25 min，時(shí)效時(shí)間 T=20 min。振前加速度峰值 G=66.1 m/s2，振前共振頻率15200 Hz;振后加速度峰值G=55.3 m/s2，振后共振頻率15126 Hz。根據(jù)GB/T25712-2010《振動(dòng)時(shí)效工藝參數(shù)選擇及效果評(píng)定方法》的規(guī)定，用振前殘余應(yīng)力平均值（應(yīng)力水平）、振后殘余應(yīng)力平均值來計(jì)算應(yīng)力消除率，焊接件的應(yīng)力消除率應(yīng)大于30%。

對(duì)每種狀態(tài)下的試件都進(jìn)行盲孔法殘余應(yīng)力測(cè)定并做記錄。使用靜態(tài)電阻應(yīng)變儀設(shè)備型號(hào)為 S15-TS3890，鉆孔儀為ZDL-II 型，鉆孔直徑2 mm，鉆孔深度2 mm。盲孔法殘余應(yīng)力測(cè)定位置如圖5所示，檢測(cè)殘余應(yīng)力時(shí)，首先用小細(xì)的不銹鋼砂輪打磨測(cè)定區(qū)域，并用由粗100目到細(xì)的800目砂紙逐步進(jìn)行拋光，直至鏡面后進(jìn)行電解拋光。然后貼應(yīng)力應(yīng)變片進(jìn)行檢測(cè)，如圖6所示。

2? 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1? 消應(yīng)力熱處理效果

1#試件焊接完成后進(jìn)行盲孔法殘余應(yīng)力檢測(cè)，然后在電爐進(jìn)行560℃×2 h 的消應(yīng)力熱處理處理后檢測(cè)其焊接接頭殘余應(yīng)力，結(jié)果如圖7所示。

可以看出，1#試件焊接接頭經(jīng)過560℃×2 h的消應(yīng)力熱處理后，焊縫殘余應(yīng)力較焊態(tài)下降了28%，焊趾較焊態(tài)下降了約33%。

2.2? 振動(dòng)時(shí)效處理效果

對(duì)2#試件焊接完成后進(jìn)行盲孔法殘余應(yīng)力檢測(cè)，然后再采用機(jī)械振動(dòng)時(shí)效方法進(jìn)行處理，然后檢測(cè)其焊接接頭殘余應(yīng)力，結(jié)果如圖8所示。

可以看出，2#試件焊接接頭經(jīng)過振動(dòng)時(shí)效處理后，焊縫殘余應(yīng)力較焊態(tài)下降了22%，焊趾較焊態(tài)下降了約27%。

2.3? 消應(yīng)力熱處理+振動(dòng)時(shí)效與振動(dòng)時(shí)效+消應(yīng)力熱處理效果

對(duì)1#試件焊接+消應(yīng)力熱處理+振動(dòng)時(shí)效處理完成后進(jìn)行盲孔法殘余應(yīng)力檢測(cè);對(duì)2#試件焊接+振動(dòng)時(shí)效+消應(yīng)力熱處理后進(jìn)行盲孔法殘余應(yīng)力檢測(cè)。試驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。

可以看出，1#試樣在經(jīng)過消應(yīng)力熱處理+振動(dòng)時(shí)效后，焊縫中心和焊趾部位的殘余應(yīng)力要低于先經(jīng)過振動(dòng)時(shí)效的。

對(duì)比圖7、圖9可知，1#試件焊接接頭焊態(tài)經(jīng)過先消應(yīng)力熱處理再進(jìn)行振動(dòng)時(shí)效與焊態(tài)時(shí)相比，焊縫殘余應(yīng)力下降了40%，焊趾下降了約50%。對(duì)比圖8、圖9可知，2#試件先進(jìn)行振動(dòng)時(shí)效再進(jìn)行消應(yīng)力熱處理處理與焊態(tài)時(shí)相比，焊縫殘余應(yīng)力下降了34%，焊趾下降了約42%。

綜上可知，焊縫經(jīng)過振動(dòng)時(shí)效處理后，應(yīng)力峰值明顯下降，與單純進(jìn)行（560±10）℃×2 h消應(yīng)力熱處理效果相當(dāng)。采用（560±10）℃×2 h消應(yīng)力熱處理后再進(jìn)行振動(dòng)時(shí)效的方式（下降40%），與單純消應(yīng)力熱處理的方式（下降28%）相比焊縫應(yīng)力峰值明顯下降，下降波動(dòng)較小，應(yīng)力峰值得到進(jìn)一步的均勻化。采用振動(dòng)時(shí)效后再進(jìn)行560±10℃×2 h消應(yīng)力熱處理的方式（下降34%）與只進(jìn)行振動(dòng)時(shí)效處理（下降22%）相比，應(yīng)力峰值下降較小。

振動(dòng)時(shí)效是給工件施加一個(gè)與其固有頻率相一致的周期激振力，使其產(chǎn)生共振，從而使工件獲得一定的振動(dòng)能量，使工件內(nèi)部產(chǎn)生微觀的塑性變形，從而使造成殘余應(yīng)力的歪曲晶格被漸漸地恢復(fù)平衡狀態(tài)，晶粒內(nèi)部的位錯(cuò)逐漸滑移并重新纏繞釘扎，使得殘余應(yīng)力得以消除和均化。消應(yīng)力熱處理使工件迅速膨脹和收縮，降低材料的屈服極限，使晶格滑移，產(chǎn)生微小的塑性變形，從而將殘余應(yīng)力釋放、降低和均化[10-13]。二者均隨著時(shí)效的溫度和外力的增大而效果更明顯。

3? 結(jié)論

（1）304L不銹鋼焊縫經(jīng)過560℃的消應(yīng)力熱處理與采用振動(dòng)時(shí)效處理消除殘余應(yīng)力效果相當(dāng);模擬件筒體縱縫焊后經(jīng)振動(dòng)時(shí)效處理后殘余應(yīng)力和工件變形得到有效控制，符合GB/T4334.4中E法晶間腐蝕要求。

（2）對(duì)304L不銹鋼焊接接頭進(jìn)行機(jī)械振動(dòng)時(shí)效處理，均能有效去除焊縫及焊趾的峰值應(yīng)力，應(yīng)力峰值下降相當(dāng)，且較消應(yīng)力熱處理方式更為均勻。

（3）采用先消應(yīng)力熱處理再振動(dòng)時(shí)效的方式，相比較單純消應(yīng)力熱處理應(yīng)力峰值下降明顯;

采用先振動(dòng)時(shí)效在消應(yīng)力熱處理方式，相比較單純消應(yīng)力熱處理應(yīng)力峰值下降不明顯。

（4）建議對(duì)含穩(wěn)定化元素的奧氏體不銹鋼設(shè)備，適用于應(yīng)力腐蝕環(huán)境或焊接后有一定殘余應(yīng)力的，可以采取振動(dòng)時(shí)效方式消除應(yīng)力。

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