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陈万华1，牟志超1，祝长江1，孙德文1，王太江1，吴祥新2 (1.中国空气动力研究与发展中心，四川 绵阳 621000；2.武汉润之达有限责任公司，湖北 武汉 430064) 摘 要：对某低温压力容器用304L钢，焊后去应力退火后焊接组织与性能的影响进行了试验。结果表明，该低温压力容器焊接接头残余应力去除的最佳热处理温度取570 ℃较为适宜，在该热处理温度下，焊缝金属组织结构基本无变化，焊缝冲击韧度仍维持较高值，并且热处理后焊缝心部的应力得到较充分的释放，残余应力消除约40%。 关键词：304L奥氏体不锈钢；焊接；去应力退火；温度 奥氏体不锈钢具有较高的强度和优良的低温韧度和塑性，常常被用做低温用钢，如当前国内生产的深冷低温液体储运容器，使用温度通常为-196～-183 ℃，主体母材通常为18-8型奥氏体不锈钢[1-2]；但奥氏体不锈钢具有较低的传热系数和较高的热膨胀系数，在焊接过程中会产生大量的收缩、变形和残余应力。残余应力对结构的疲劳破坏、脆性破坏、应力腐蚀裂纹和抗弯强度等都有很大的影响[3]；因此，消除焊接结构中的残余应力一直是工程界关心的问题。 对奥氏体不锈钢来说，因晶界析出Cr23C6，会降低不锈钢的抗腐蚀性能；而无损于抗腐蚀性能的热处理，又不可能使应力充分消除；因此，在ASME规范中，既不要求也不禁止对奥氏体不锈钢进行消除应力处理[4]。析出物Cr23C6不仅会造成晶间腐蚀，也会对焊缝的低温冲击韧度造成影响。对低温压力容器来说，GB 150—2011《压力容器》要求奥氏体不锈钢的焊缝和热影响区在设计温度下的低温夏比(V形缺口)吸收能量不得<31>[5]。 针对奥氏体不锈钢低温压力容器焊缝接头的残余应力热处理去除，在具体使用环境下，应考虑焊缝及母材热处理后Cr23C6的析出造成的晶界腐蚀，以及对低温夏比(V形缺口)吸收能量的影响，应选择适宜的温度，能相对最大去除残余应力，且低温吸收能量满足国标要求。本文主要对某低温压力容器(最低设计温度为-196 ℃，材质为304L，承受交变应力)的焊接接头残余应力去除进行试验研究，通过金相分析、热影响区和焊缝区的低温夏比(V形缺口)冲击试验以及微观显微硬度检测，研究该低温压力容器焊接接头残余应力去除的最佳热处理温度。 1 试验过程1.1 选用材质 试验选用母材为304L的钢板，厚度为16 mm；为尽可能地防止晶界腐蚀，选用超低碳不锈钢焊条A002。 1.2 焊接工艺规范及相关参数 按NB/T 47015—2011《压力容器焊接规程》标准进行焊接，采用手工电弧焊，控制层间温度≤50 ℃。接头简图如图1所示，具体焊接工艺规范及相关参数见表1。  图1 接头简图 表1 焊接工艺规范和相关参数  焊层/焊道焊接方法焊接材料牌号规格/mm焊接电流极性电流/A电压/V焊接速度/cm·min-11/1SMAWA002ϕ3.2DCEP12022102/1SMAWA002ϕ4.0DCEP16526123/2SMAWA002ϕ4.0DCEP1702612背面清根4/1SMAWA002ϕ4.0DCEP16026125/1SMAWA002ϕ4.0DCEP17026126/2SMAWA002ϕ4.0DCEP1602612 1.3 试件去应力退火热处理及检验项目 对按表1焊接工艺参数制作的304L焊板，截取6组试样，分别按表2的温度进行热处理。除A1无须热处理外，其余试件采用炉内整体加热，热处理温度达到后，保温时间为1 h；降温时，炉温<400> 表2 热处理试样的制备和检验项目  试件标识热处理温度/℃冲击试样数量焊缝区热影响区检测位置A1焊态1组1组焊缝+热影响区A25001组1组焊缝+热影响区A35701组1组焊缝+热影响区A46501组1组焊缝+热影响区A57001组1组焊缝+热影响区A67501组1组焊缝+热影响区 2 试验结果与分析2.1 微观金相检测 对6组试件制作了金相试样，用金相显微镜观察不同热处理温度下，焊接接头熔合线及焊缝中心组织的变化情况(见图2～图7)。图2中，焊缝组织为奥氏体+铁素体(A+F)，柱状晶结构；熔合线组织良好。图3和图4中，组织结构相较焊态无变化。图5中，组织结构相较焊态无明显变化，晶界附近开始出现少量析出物。图6中，晶界附近析出物较650 ℃热处理试样明显增多。图7中，晶界内和晶间产生大量析出物。 从各热处理后试件的金相分析结果看，焊后热处理温度应<650>  图2 焊态金相组织  图3 热处理温度500 ℃金相组织  图4 热处理温度570 ℃金相组织  图5 热处理温度650 ℃金相组织  图6 热处理温度700 ℃金相组织  图7 热处理温度750 ℃金相组织 2.2 低温夏比(V形缺口)冲击试验 6组试件按GB/T 229—2007《金属材料 夏比摆锤冲击试验方法》标准分别进行焊缝区和热影响区的低温冲击试验，试验结果见表3。 表3 各热处理温度下的吸收能量试验结果  序号热处理温度/℃焊缝区吸收能量Kv/J热影响区吸收能量Kv/J1焊态62/39/44234/215/232250038/36/38213/250/208357038/48/52196/193/250465040/32/34184/146/232570026/22/28160/153/174675018/15/22172/161/182 从表3中可以看出，在570 ℃热处理温度下，试样的吸收能量仍处于较好的水平；随着热处理温度升高，试样的吸收能量下降明显；当热处理温度>700 ℃后，试样焊缝区的吸收能量已不能满足>31 J的要求。 2.3 微观硬度检测 对6组试件的焊接截面进行了微观硬度检测，检测结果如图8所示。各热处理温度下的焊缝心部、焊缝背面和焊缝正面的平均微观显微硬度值用焊后热处理温度-硬度值二维图如图9所示。  a) 焊态 b) 500 ℃/1 h c) 570 ℃/1 h d) 650 ℃/1 h e) 700 ℃/1 h f) 750 ℃/1 h 图9 各热处理温度下焊缝区域微观硬度变化情况 从图8和图9中可以看出，焊缝心部的维氏硬度值高于焊缝表面，其原因为心部承受焊接应力引起的应变大于焊缝表面；高应力区(焊缝心部)的硬度在经570 ℃热处理后下降明显，其后随着温度升高，下降趋势逐渐平缓；低应力区(焊缝表面)硬度值在热处理后略有下降；通过热处理可以使焊缝心部与表面硬度差值缩小，使截面各处的应变趋于一致。 根据上述试验结果可得，对304L材料焊接接头进行残余应力去除，热处理温度取570 ℃较为适宜。在这个温度下，焊缝金属组织结构基本不发生变化，焊缝冲击韧度维持在较高值，并且热处理后焊缝心部的应力得到较充分的释放。 2.4 热处理后残余应力去除效果试验 选取热处理温度为570 ℃进行热处理前、后残余应力消除情况的对比试验，残余应力采用X射线应力测定法测量，试验结果见表4。 表4 残余应力值测量结果 试件编号热处理温度/℃保温时间/h测试应力值/MPaA焊态233.4B5702146.1C5704159.1 由表4可知，焊接试件经570 ℃热处理后，残余应力值约为焊态的60%，该结果与文献[6]所得结论一致，即在540～650 ℃热处理温度内，奥氏体不锈钢的焊接残余应力仅能消除30%～40%；且在保证充分均匀热透的前提下，再加长热处理保温时间，对消除焊接残余应力并无效果。 3 结语针对材质为304L的低温压力容器焊接接头残余应力去除设计要求，对不同热处理温度下的试件进行金相分析、热影响区和焊缝区的低温夏比(V形缺口)冲击试验以及微观显微硬度检测，发现该低温压力容器焊接接头残余应力去除的最佳热处理温度取570 ℃较为适宜。在该热处理温度下，焊缝金属组织结构基本无变化，焊缝冲击韧度仍维持较高值，并且热处理后焊缝心部的应力得到较充分的释放，残余应力消除约40%。 参考文献： [1] 朱殿昱. -196 ℃奥氏体不锈钢焊缝金属冲击韧性研究[J]. 兰化科技，1997, 15(3):166-168. [2] 张子强. 奥氏体不锈钢焊缝金属-196 ℃低温冲击韧性工艺性试验[J]. 真空与低温，2000, 6(4):241-244. [3] 周金枝,钟斌. 用热处理方法消除奥氏体不锈钢焊接残余应力[J]. 湖北工业大学学报，2007, 22(4):88-90. [4] 美国金属学会. 金属手册[M]. 北京:机械工业出版社, 1988. [5] GB 150—2011，压力容器[S]. [6] 周万椿. 奥氏体不锈钢残余应力的消除[J]. 国外金属热处理，1990, 11(5):61-64. 责任编辑 郑练 Test and Research on Elimination Welding Residual Stress in 304L Austenite Stainless Steel with Heat Treatment Method CHEN Wanhua1, MOU Zhichao1, ZHU Changjiang1, SUN Dewen1, WANG Taijiang1, WU Xiangxin2 (1.China Aerodynamics Research and Development Center, Mianyang 621000, China; 2.Wuhan Runzhida Petrochemical Equipment Company, Wuhan 430064, China) Abstract：The influence of the different heat treatment processes on the 304L austenitic stainless steel organization and performance is studied. Through the 304L austenitic stainless steel quench processing by heating up to 570 ℃，keep 1 hour time，then cool the air. It is concluded that the microstructure and mechanical property changes slightly, and the impact toughness does not change significantly, which could eliminate welding residual stress by 40%. Key words：austenitic stainless steel 304L, weld, stress relief annealing, temperature 中图分类号：TG 156.23 文献标志码：B 作者简介：陈万华(1975-)，男，副研究员，硕士，主要从事风洞结构优化与振动控制等方面的研究。 通信作者：孙德文 收稿日期：2016-09-20 |
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