重庆不锈钢方矩管:退火和激光冲击处理对不锈钢管焊接接头残余应力及力学性能的影响

重庆不锈钢方矩管：研究了退火和激光冲击处理对不锈钢管焊接接头残余应力及力学性能的影响。对焊件分别采取250、500℃退火及激光冲击后，利用盲孔法测出不锈钢管焊接接头的残余应力分别下降了153、237及275MPa；激光冲击与退火处理方法相比，激光冲击产生的弥散分布的马氏体组织，更能提高焊接接头的硬度；经过500℃退火的不锈钢管焊接接头的抗拉强度提高了53MPa，其焊缝冲击功及热影响区冲击功比未经处理的分别提高了9和12J。

 由于汽车制造业的不断进步和升级，各类车辆在保证汽车品质的情况下，追求汽车的轻量化，以期降低汽车重量，提高汽车的经济性和使用寿命。强度不锈钢管由于其具有优异的综合力学性能及良好的焊接性能，在汽车制造及船舶等领域有着广泛的应用。低合金高强钢在焊接的过程中，由于熔池中金属液从液态转变为固态，同时冷却时间较短，在此过程中，不可避免在焊接区域产生一的残余应力。残余应力的存在，不仅在一程度上降低构件的使用寿命，严重时在外加载荷的影响下可能引起断裂。对焊件进行一的焊后处理，将有效地消除不锈钢管焊件内部存在的残余应力，同时能够改善焊件的品质。随着工艺技术的发展进步，对焊件的处理选择的方式也存在多样性，如超声波冲击也可以降低焊件内部的残余应力。激光技术在近几年来发展尤为迅猛，激光冲击金属表面后，将使金属内部组织产生相应的变化。宏盛特钢试图研究退火和激光冲击两种处理方式对焊接接头残余应力及其力学性能的影响。

一、试验材料与方法

 选用屈服强度大于460MPa的不锈钢管母材，采用锰-镍-钼系焊丝,选用SJ301烧结焊剂，对尺寸为300mm×150mm×15mm的不锈钢管进行对接埋弧焊。焊接前，将试板开60°V形坡口并清洗干净；焊接完成后，将其分为4组，分别为1#焊件不进行消应力处理，2#焊件加热至250℃保温60min，3#焊件加热至500℃保温60min，4#焊件采用YAG激光器对焊缝中心线两侧20mm区域内进行激光冲击，冲击速率为100mm/s，整机功率为0.5kW，整个过程采用Ar保护。采用盲孔法对焊接试件进行测应力，测点如图所示。从焊接试件上取样进行显微组织观察及力学性能测。

二、试验结果及分析

 1. 焊接接头残余应力分析

   图为焊接接头的残余应力分布图。从图可知，1#、2#、3#、4#焊接接头的纵向残余应力分布各有所不同。对于焊接后未经处理的1#焊件，其残余应力值焊缝中心处为300MPa，距焊缝中心10mm位置增至为321MPa，原因是焊趾处由于熔融金属液与基体接触，凝固时受基体影响大，故其残余应力较焊缝中心处高；在不锈钢管焊件热影响区为244MPa，达到了母材屈服强度的53%，故在焊件冷却过程中，对不锈钢管焊件进行一的保温缓冷对焊件品质也有重要影响。2#和3#焊接接头分别经过250、500℃退火处理后，在焊缝中心处其焊接残余应力分别为168、83.1MPa，相比未经退火处理的焊接试样，应力分别消除了153、237MPa；随着离焊缝中心越远，焊接残余应力逐渐降低而趋于50MPa。在较低的温度下进行低温退火处理（2#焊件），能够有效地对焊接过程中由于金属液凝固顺序差异产生的机械应力进行松弛，而焊件内部在焊接过程中产生的晶间应力无法被有效消除，但是焊件依旧保持较高的强度，故低温退火处理不仅能有效消除应力，而且能够保持形状，避免引起相应的变形；退火温度越高，不仅能缓解其凝固产生的机械应力，而且焊件内部的结构发生一的改变，消除其由于晶格畸变产生应力，从而达到好的应力状态。对于4#焊件，其应力分布状态呈现出先增大后减小的趋势，在焊缝中心处其残余应力值为46MPa，在距焊缝中心30mm区域内，残余应力逐渐升高，超出30mm以外，其焊接残余应力逐步与未经处理的试样残余应力一致，说明经高能激光冲击后，由于其温度集中和冲击范围有限，造成其热影响区有限。同时冲击区域焊件温度迅速升高，在此区域相当于进行局部退火处理，由于焊接区域的组织结构与母材存在一差异，故焊缝区与母材区存在不同的温度梯度，从而造成了图中的焊件结构应力分布状态。激光冲击不同于传统的退火工艺，在短暂的冲击后，能够在焊件表面产生一层细晶区，不仅能够在一程度改善强度，同时能提高其耐磨耐冲击性能，提高其服役期限。图2（b）中的横向残余应力分布趋势与纵向较一致，经过退火处理和激光冲击后，都能有效地消除焊件的残余应力，提高其服役期限。

 2. 焊接接头的金相组织分析

  图所示分别为未经处理的1#试样，分别经250和500℃保温60分钟退火的2#与3#试样以及经激光冲击的4#试样的金相组织。1#、2#及3#试样内部的马氏体分布及形态具有一的差异，经退火处理的试样马氏体较未经处理的1#试样分布更均匀弥散，4#试样表层经激光冲击之后，表层马氏体组织分布更为弥散。由此可知，经过退火处理之后，焊件内部将发生一的相变，得到回火马氏体组织，这样不仅能能使马氏体分布更为均匀，同时释放焊件在焊件过程中产生的残余应力；焊件经较高能量的激光冲击之后，焊件表层发生重新凝固，由于冷却时间短，故在金属表层得到弥散的马氏体组织。

 3. 焊接接头的力学性能分析

  a. 焊接接头硬度

  表为不锈钢管焊接接头的表面硬度值。经退火处理后的2#、3#相比1#的硬度要低，而4#试样被激光冲击后，材料表面受到细晶强化的影响，其硬度并没有降低。

  b. 焊接接头的拉伸性能

  根据GB2649-89分别对1#、2#、3#、4#焊件进行取样，每个试样取3个，在常温下以1mm/min的拉伸速度进行试验，然后取平均值，表为焊件接头的抗拉强度。经过退火处理的2#与3#焊接接头的抗拉强度比未经处理的焊接接头强度分别要高28与53MPa。

  c. 焊件接头的冲击韧性

  焊件接头冲击韧性试验依据GBT2650-2008制取V型缺口冲击试样，表为焊缝区及热影响区的冲击试验结果。经退火处理后的2#试样其焊缝冲击功比1#增加4J，2#试样其热影响区冲击功比1#增加5J，3#焊缝和热影响区冲击功比1#分别增加了9和12J，说明经退火处理后，释放了其内部应力，改善了焊缝内部的组织结构，提高了材料的冲击韧性。由于激光冲击存在热量集中及热影响区有限等特点，导致其焊缝冲击功有较明显的增加，但是其热影响去的冲击韧性较未处理试样区别不大。

三、结论

  1. 对不锈钢管焊件进行250、500℃退火处理和激光冲击后，能够有效降低其内部产生的焊接残余应力，在焊缝中心处其残余应力分别下降了153、237及275MPa，相对退火处理，激光冲击在释放焊接残余应力上更为明显。

  2. 对不锈钢管焊件采取退火处理后，焊件内部的机械应力能够得到有效释放，能够提高焊件接头的抗拉伸性能和冲击功，如3#试样的抗拉强度提高了53MPa，焊缝冲击功和热影响区冲击功分别提高了9和12J。