304L奥氏体不锈钢的焊接残余应力热处理去除试验研究

　　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%。

　　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，GB1502011《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]。

　　1.1选用材质

　　1.2焊接工艺规范及相关参数

　　图1接头简图

　　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/cmmin-11/1SMAWA0023.2DCEP/1SMAWA0024.0DCEP/2SMAWA0024.0DCEP背面清根4/1SMAWA0024.0DCEP/1SMAWA0024.0DCEP/2SMAWA0024.0DCEP

　　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1h；降温时，炉温<400>

　　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

　　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。

　　图2焊态金相组织

　　图4热处理温度570℃金相组织

　　图6热处理温度700℃金相组织

　　2.2低温夏比(V形缺口)冲击试验

　　表3各热处理温度下的吸收能量试验结果

　　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>31J的要求。

　　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。

　　c)570℃/1h

　　e)700℃/1h

　　图8各热处理温度下微观硬度检测结果

　　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。

　　2.4热处理后残余应力去除效果试验

　　表4残余应力值测量结果

　　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。

　　[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.

　　[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.

　　[5]GB1502011，压力容器[S].

　　TestandResearchonEliminationWeldingResidualStressin304LAusteniteStainlessSteelwithHeatTreatmentMethod

　　(1.ChinaAerodynamicsResearchandDevelopmentCenter,Mianyang,China;2.WuhanRunzhidaPetrochemicalEquipmentCompany,Wuhan,China)

　　Keywords：austeniticstainlesssteel304L,weld,stressreliefannealing,temperature

　　文献标志码：B