去应力退火处理对310S耐热不锈钢管焊接接头残余应力与力学性能的影响

 浙江至德钢业有限公司采用钨极氩弧焊对310S耐热不锈钢管进行焊接试验，并对其接头进行去应力退火处理，采用金相显微镜、残余应力仪、拉伸试验机等测试热处理前后焊接接头的显微组织、力学性能与残余应力演变规律。结果表明：在600℃进行退火处理时，随着保温时间的增加，310S耐热不锈钢管残余应力被消除的程度逐渐加大；由于去应力退火温度表达到其再结晶温度，因此，热处理后310S耐热不锈钢管焊接接头的显微组织与力学性能变化不明显。

 310S耐热不锈钢管以其高的热强性、较高的耐腐蚀性及良好的综合力学性能．被广泛用于制造锅炉过热器管、主蒸汽管道、阀体、燃气轮机叶片及其他高温抗氧化结构部件。但于其热膨胀系数较高，其焊接件往往存在较大的焊接残余应力，在实际使用中残余应力和外载荷共同作用将会降低焊接件的力学性能和使用寿命。目前，消除焊接残余应力的常用手段主要有锤击法、热处理法、振动法等；但锤击法使用范围具有很大的局限性，振动法成本较高，而热处理法以其操作较简单、成本相对较低、去应力效果良好等优点，成为消除焊接接头残余应力的常用方法。

 因此，至德钢业以310S耐热不锈钢管为母材，采用TIG焊技术对其进行焊接试验．并对其进行不同的去应力退火处理，探索热处理消除残余应力的机理及热处理对焊接接头力学性能的影响规律。

一、试验

 以310S耐热不锈钢管为母材进行TIG焊试验，试样尺寸为100mmx80mmx3mm，焊接电流为140 A，焊接速度为0.32 m/min．送丝速度为0.32 m/min。去应力退火处理方案如图1所示，退火温度为600℃，保温时间分别为0.5，1.0，J.5 h。采用X-350A型X射线残余应力仪进行焊接接头残余应力测试．测试点的分布如图2所示，每个点测试3次，然后取其平均值。采用DMT3000M型光学金相显微镜观察热处理自可后焊接接头显微组织演变规律，腐蚀剂为王水。采用HVS-1000Z型显微硬度计测试焊接接头显微硬度应变规律。对热处理前后的焊接接头进行拉伸试验，每种性能的接头测试3个，然后取其均值为最后结果。

二、结果分析与讨论

 1. 焊接接头的显微组织

  图为焊接接头示意图，z方向为焊丝移动方向，截取xy截面的焊缝进行焊缝组织观察。熔焊过程中，母材局部区域熔化与熔化了的焊丝混合形成焊接熔池。在过冷的条件下，熔池金属凝同，同时结晶过程中伴随着晶核的形成与长大。由于焊接熔池小，冷却速度快，过冷度较大，，所以在凝固过程中晶粒的非自发形核占主导地位m。焊缝金属非自发形核开始于熔池边界的晶粒表面，以柱状晶的形态向焊缝中心区域生长。．如图4a所示为热处理前的焊缝中心区域组织，母材是310S钢，焊缝金属凝固过程中直接从液态金属中析出一次Y相，并保留至室温。焊接时焊丝沿着z方向以一定的速度移动，在焊缝熔池金属凝固过程中，晶粒倾向于沿着垂直于熔池边界的方向生长，、因为这个方向具有最大的温度梯度，散热最快，同时焊缝中心的温度过高不利于自发形核，为柱状树枝品的生长提供了优势；晶粒从靠近熔合线处的母材上联生地向焊缝中心处长大起来。如图4b，4c，4d所示分别为去应力退火过程中保温0.5，10，1.5 h后的焊缝组织，310S耐热不锈钢管由于去应力退火温度600℃为未达到再结晶温度，所以热处理后焊缝的基本组织不变。

 2. 焊接接头残余应力

 焊接残余应力是焊接件不可避免的缺陷，焊接时的局部不均匀热输入是产生焊接残余应力的主要影响因素。焊后热处理是消除焊接残余应力的有效措施，焊后热处理主要包括加热和保温两个阶段，随着加热温度的提高．焊接残余应力随着材料屈服点的降低而降低，当达到热处理的温度时，残余应力降低到材料在此温度的屈服点以下，在以后的保温过程中残余应力会因应力松弛而得到释放。

 如图所示，310S耐热不锈钢管焊接接头的纵向残余应力和横向残余应力在热处理后都有所降低；随着保温时间的不同，残余应力被释放的效果也不同，如图所示，．焊缝中心处的横向残余应力热处理前为拉应力184 MPa，退火时保温0.5 h变为压应力68 MPa，保温1.0 h变为压应力166 MPa．保温1.5 h变为压应力13 MPa；如图5b所示，焊缝中心处的纵向残余应力热处理前为拉应力200 MPa，退火时保温0.5 h变为压应力49 MPa，保温10 h变为拉应力123MPa，保温1.5 h变为压应力61 MPa。可见热处理对焊接接头的残余应力消除效果是比较明显的，考虑到不同的热处理工艺针对不同的焊接件，残余应力选取点的差异性会影响测试结果的规律性，但总体趋势是随着保温时间的延长，残余应力被消除得越明显，同时由于热处理冷却过程中，随着温度的降低，材料的屈服强度提高，导致应力值回升，所以热处理后存在热处理态残余应力，本次试验主要存在热处理态残余压应力。

 3. 力学性能

 图为热处理前后焊接接头的硬度变化曲线．热处理前各区域的硬度变化规律为：由焊缝区到熔合区硬度升高，过热区硬度降低，到正火区硬度升高，再到部分相变区硬度再次降低，由于各个区域具有不同的显微组织决定了各个区域具有不同的显微硬度值，由于熔合区成分和组织的不均匀性，存在大量碳化物的聚集，使熔合区硬度显著地增高，过热区具有粗大的晶粒组织，使硬度降低，而正火区一般具有细小的晶粒组织，使硬度得以升高，而部分相变区的组织存在严重的不均匀性．则硬度再次降低。

 焊件热处理后，焊接接头各个区域显微硬度的整体变化趋势和热处理前是一致的，去应力退火不改变焊接接头的微观组织．对焊接接头的硬度变化规律不会产生影响，但热处理后的焊接件平均显微硬度比热处理前的硬度值要高，这是由于热处理后焊接接头区依旧存在热处理态残余压应力，接头区存在弹性应变场有助于硬度的提高.同时热处理过程中不同的保温时间对硬度的影响效果也不同．保温1.5 h焊接接头的平均硬度要高，主要原因是保温1.0小时焊接接头区的平均残余压应力数值较大，则硬度值就较高。

 表为热处理前后焊接接头的屈服强度、抗拉强度、伸长率相关数据。保温0.5小时屈服强度降低14.7%．抗拉强度降低16%．伸长率降低约14%;保温1.0，1.5小时，屈服强度降低约40%，抗拉强度降低约3%；保温1.0 小时伸长率降低18%，保温1.5小时伸长率提高约4%。可知去应力退火后焊接接头的屈服强度、抗拉强度都有所降低，而不同的热处理工艺下，焊接接头的伸长率呈现不同的变化。去应力退火前，焊接接头内部已经存在残余应力，与拉伸载荷叠加作用于焊接接头，当残余应力的方向与外载荷方向相反时，有助于力学性能的提高；本次热处理试验后抗拉强度和屈服强度都是降低的．说明去应力退火后，焊接件平均残余应力的方向与外载荷方向相同，同时由于去应力退火过程中的应力松弛作用，随着保温时间的延长，焊接接头的塑性先降低后升高。

三、结论

 1. 310S耐热不锈钢管热处理过程中随着保温时间的延长，焊后残余应力被消除的效果越好，由于降温过程中材料屈服强度的提高，焊接接头会存在热处理态的残余压应力。

 2. 310S耐热不锈钢管去应力退火后，焊接接头的硬度总体分伟规律不变；由于存在热处理态残余压应力，去应力退火后平均硅微硬度得以提高。

 3. 310S耐热不锈钢管去应力退火不改变焊接接头的微观组织；去应力退火后，平均残余应力的方向与外载荷方向相同，接头力学性能有所降低。