去应力退火对不同焊接电流下Q235钢焊接接头组织和性能的影响_倪潇
DOI:10.13251/j.issn.0254-6051.2012.05.018
第37卷2012年
第5期5
月
Vol. 37No. 5
HEAT TREATMENT OF METALS
May 2012
去应力退火对不同焊接电流下Q235钢
焊接接头组织和性能的影响
倪
潇,吕瑞强,许
伟,张成刚,刘
宏
(山东轻工业学院机械与汽车工程学院,山东济南250353)
摘要:采用金相观察、硬度测试、冲击和拉伸等试验,研究了去应力退火对不同焊接电流下Q235钢焊件的组织性能的影响,并对相关影响因素进行了讨论。结果表明,随焊接电流从155A 增加到170A ,焊接接头各特征区的显微组织粗化,硬度下降;去应力退火对焊件的显微组织无明显影响,但硬度降低;且焊接电流越大,焊接接头退火前后的硬度差越大。无论是否退火,焊接接头的强度、塑性和冲击韧性均在160A 电流的焊接条件下出现最大值。小电流焊接接头的退火对塑性和冲击韧性的改善比大电流焊接接头的退火更有效。
关键词:去应力退火;焊接电流;冲击韧性;抗拉强度;塑性中图分类号:TG441.8
文献标志码:A
文章编号:0254-6051(2012)05-0065-06
Effects of stress relief annealing on microstructure and properties of
Q235steel weld joints under different welding currents
NI Xiao ,L Ruiqiang ,XU Wei ,ZHANG Chenggang ,LIU Hong
(School of Mechanical and Automobile Engineering ,Shandong Polytechnic University ,Ji ’nan Shandong 250353,China )
Abstract :Effects of stress relief annealing on microstructure and properties of Q235steel weld joints under different welding currents are investigated and the relevant factors are discussed using metallographic observation ,hardness measurement ,tension and impact tests.The results indicate that with the welding current increasing from 155A to 170A ,the microstructure of weld bead characteristic zones becomes coarse ,and hardness reduces.The stress relief annealing shows no significant effect on microstructure of weld joints ,but decreases hardness ,and the larger the welding current is ,the larger the difference of hardness value of the weld joint before and after annealing is.The whether annealing or not ,reach the maximum values in the welding current of tensile strength ,plasticity and impact toughness of weld joints ,
160A.The improvement of annealing of the weld joint in a small welding current on impact toughness and plasticity is more effective than that in a large welding current.
Key words :stress relief annealing ;welding current ;impact toughness ;tensile strength ;plasticity
焊接结构中普遍存在的焊接残余应力直接影响到
结构在使用中的性能,因而在实际焊接构件生产制造过程中,如何有效地调整、控制和消除焊接残余应力一
[1-2]
。焊接过程是一个不直是焊接界关注的重要问题
均匀加热过程,使构件局部产生塑性变形,冷却后在工
件内部产生残余应力。Q235钢是工业生产中常用且质量要求较高的焊接构件用钢,但实际应用时,焊接构件会经常发生疲劳断裂现象,其疲劳强度的降低主要
[1,3]
。因而采取各种归因于构件内存在拉伸残余应力
措施减小或消除焊接残余应力,可使焊件的安全性和
[4-6]
。王应力的方法,可以有效降低焊件的残余应力
[7]
国庆等研究了残余应力随退火工艺的变化,发现高
温退火短时保温与低温退火长时保温,对残余应力的降低几乎是等效的。残余应力不仅影响工件力学强度,而且容易使工件产生畸变、开裂,影响尺寸精度,降
[1]
低工件的疲劳寿命。对于一些工作在腐蚀环境下的焊接件,不同的焊接方法及焊接应力的存在还会对焊接接头的耐蚀性产生很大的影响。CO 2气体保护焊相对于电弧焊和TIG 焊,其焊接接头在5% 11%的亚硫酸铵介质中,温度<80ħ 条件下具有最好耐蚀性
[8]
使用寿命得到提高。去应力退火是一种调整焊后残余
收稿日期:2011-11-02
E-mail :作者简介:倪潇(1989—),女,山东泰安人,大学本科在读,
dreamnixiao@sina.com 。通讯作者:刘宏,博士,教授,从事金属材料mail :及其表面改性研究,已发表论文40余篇。电话:[1**********],E-newhsx@163.com
;与未进行去应力退火的焊件相比,无论在碳酸
钠溶液还是在稀硫酸溶液中,焊接应力降低得越多,焊
[9]
件的耐蚀性就越好。
有关Q235钢焊件去应力退火前后力学性能变化
本文对不同焊接电流下Q235钢焊的研究却不多见,
件的金相组织、硬度、冲击韧性、拉伸性能等进行了研
66
究,分析了残余应力对性能的影响,为Q235钢焊件退火前后的应用提供性能变化的数据依据。
第37卷
这就使熔池结晶以非自发形核占主导。非自发形难,
以柱状晶的形核依附在熔池边界未熔母材晶粒表面,态向焊缝中心生长
[10]
1
。于是焊缝金属的初始晶体是
试验材料与方法
采用Q235B 钢板作为试验材料,开坡口焊接。焊
160、170A 三种电流,件的制备选择155、电弧电压为22 24V ,用J422焊条,保持(150ʃ 10)mm /min的焊
接速度,通过硅整流电焊机焊接而成。将不同焊接条件下的焊件通过机加工分别制成用于金相观察、冲击试验和拉伸试验所需的若干试样。为了比较去应力退火前后焊件性能的变化,将其分为两组,一组
2.5-10箱式电阻不进行去应力退火,另一组在SX2-炉中空炉加热到550ħ 入炉,保温30min 后炉冷到
300ħ 取出。将退火处理和不处理的试样分组编号以备如下试验。1.1金相组织观察
金相试样的制备经过砂轮粗磨、多道砂纸细磨、抛
4%硝酸酒精溶液浸蚀、光机抛光、清水冲洗、热风吹干1000TMC 金相等一系列过程,完成制样后,放在HXD-显微镜下观察,对焊接接头各特征区域的显微组织进行分析。
1.2硬度测试
150A 洛氏硬度机上将金相观察后的试样在HB-作进一步的硬度测试。测试方法按照从焊缝、熔合区、过热区、正火区、部分相变区最后到基体的顺序,每隔记录下各点的硬度值;大约1mm 的间距依次打硬度,
每个试样打3排,对相近位置硬度值进行分析后,取平
均值作为特征区的硬度。1.3
冲击和拉伸试验
冲击试样的缺口开在焊缝区,制成标准夏比V 形缺口试样,采用JB30B 冲击试验机进行冲击;强度及伸长率测试则在CHT4605拉伸机上进行,上述每种性能测试均采用6个试样,将其结果取平均值。
这直接从熔合区附近母材的晶粒生长区延续过来的,
就种晶粒的遗传性随着电流从155A 到170A 增大,会导致熔合区母材的晶粒从相对细小到粗化,使焊缝
晶粒尺寸也随之粗大,如图1所示
。
图1不同焊接电流对焊缝区组织的影响
Fig.1Effect of different welding currents on
microstructure of weld zone
(a )155A ;(b )170A
图2是以160A 焊接电流条件为例,给出了焊件热处理前后不同部位组织的比较。图2(a ) 2(e )是未退火处理的各特征区的组织,焊缝区(图2(a ))表现出典型的铸造组织的柱状枝晶形态,因为熔焊时,熔池金属的体积小,冷却速度快,熔池中心和边缘存在较大温差,中心部分过热温度高,非自发形核的原始质点数大为减少,因而为柱状树枝晶的生长提供了优势;熔合区(图2(b ))是在高温热源的作用下,母材发生局部熔化,并与熔化了的焊接材料相互结合形成熔池,于是组织中由铸态的一部分柱状枝晶和母材中的过热粗晶混合而成;图2(c )和2(d )分别对应于母材过热区的粗大晶粒和正火区较小的晶粒,图2(e )为未受焊接影响的母材组织。图2(a' ) 2(e' )是与未退火组织相对应的退火后的各特征区的组织。理论上,焊件去应力退火温度低于相变温度,对其显微组织的影响不大。但从图2中所显示的退火
2
2.1
试验结果与分析
焊接接头特征区的显微组织
在保持焊接速度恒定的前提下,焊接电流越大,相
当于输入的线能量越大,焊接接头的加热温度越高。随焊接电流从155A 增加到170A ,对比从焊缝区到热影响区的显微组织发现:各特征区的组织均表现为随之粗化。根据液态金属结晶理论,过冷是凝固的条件,结晶是通过萌生晶核及晶核长大而进行的。对于焊接熔池,由于金属过热较大,在开始凝固时,自发形核的可能性较小,特别是在过热度最大的熔池中心更为困
第5期倪潇,等:去应力退火对不同焊接电流下Q235钢焊接接头组织和性能的影响
67
前后各区域的组织比较来看,似乎两者的金相组织
尤其是焊缝区及熔合区的组织更为明显,有所差异,
这可能是一方面由于这两个区域的铸态组织存在
如焊接时卷入气体形成的气孔在一些铸造缺陷,
550ħ 处理时逸出而消失;另一方面用来作金相观察的退火或未退火的试样不是取自同一个试样,这样
就有可能会导致一些组织上的微小区别
。
2.2
焊接接头特征区的硬度图3为不同焊接电流下,焊件退火前后各特征区
硬度的变化曲线。可见,在3种电流下,各区域硬度变
即从焊缝区到过热区硬度减小,正化具有相同的规律,
之后在部分相变区再次降低。注意到火区硬度升高,
这种硬度的变化趋势与各区域显微组织的特征相吻
合。焊缝区所用的J422焊条,其化学成分与Q235钢相近,而硬度较高可能缘于枝晶状的组织形态使碳化物分布在枝晶边界导致硬度增大;熔合区是铸态组织与晶粒粗大的过热组织混合,于是与之对应的硬度表现为降低;过热区组织中粗大的晶粒使硬度继续降低;但到了正火区,组织中获得的细小晶粒导致硬度提高,而部分相变区由于不均匀的晶粒大小又使硬度再次降低。进行退火后,相同的硬度变化趋势表明去应力退但可使同一特征区所对火不会改变硬度的变化规律,
还发现随焊接电流的增应的硬度值有所降低。此外,加,退火前后的硬度差值增大。
焊接过程使金属处于局部受热而基体不受热的状
态。金属在加热过程中处于高温塑性状态,容易产生压缩变形。但焊缝冷却收缩过程中,受热金属的收缩同样也受冷态基体金属的牵制,产生拉应力和拉伸变形。因而在焊缝冷却后必然存在一定的残余应力
[11]
。
残余应力的存在将在焊接接头中产生一定的弹性应变场,这有利于硬度的提高。而焊件退火时,内部的残余应力在加热保温过程中得到释放,弹性应变场减弱或
导致了硬度下降。显然,较大的焊接电流引起较消失,
大的残余应力,同样进行退火,其焊件的残余应力下降得较多,于是相应的硬度值也有较大的降低,因此,焊表现为退火前后的硬度差值变大。接电流增大,
图4为不同焊接电流条件下,焊接接头同一特征区域退火前后硬度的变化。从图4中可以看出,当焊接电流从155A 增加到170A 时,同一特征区域的硬度随之减小,这主要归因于显微组织的影响。与170A
155A 较小电流的焊接接头,大电流焊接相比,其特征区各部分的加热温度相对较低,因而所获得的晶粒组
织相对细小,同一区域的硬度值大;随电流增大,晶粒组织粗化,对应的硬度必然呈下降趋势。而对比焊接接头退火前后各特征区的硬度变化发现,从焊缝区(图4(a ))、熔合区(图4(b ))到过热区(图4(c )),其退火前后的硬度差值增大,换句话说,就是焊缝区退火前后的硬度差值较小,过热区退火前后的硬度差值较大,这可以从其相应区域存在的残余应力大小得到解
[12]释。焊接接头的残余应力在熔合线附近最大,远离熔合线的地方减小。所以位于其两侧熔合区和过热区
图2160A 焊接电流下焊接接头退火前后特征区的显微组织
(a /a')焊缝;(b /b')熔合区;(c /c')过热区;(d /d')正火区;
(e /e')基体;(a e )未退火;(a' e' )去应力退火
Fig.2
Microstructure of different area under the welding current
of 160A before and after annealing
(a /a')weld zone ;(b /b')fusion zone ;(c /c')overheated zone ;
(d /d')normalized zone ;(e /e')matrix ;(a e )unannealed ;(a' e' )annealed
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第37
卷
Fig.3
图3不同电流条件下焊接接头退火前后硬度的变化
Variations of hardness of weld joints before and after annealing under different welding currents
(a )155A ;(b )160A ;(c )170
A
图4
Fig.4
不同焊接电流条件下焊接接头同一区域退火前后硬度的变化
(a )焊缝;(b )熔合区;(c )过热区;(d )正火区;(e )部分相变区
Variations of hardness of the same area under different welding currents before and after annealing
(a )weld zone ;(b )fusion zone ;(c )overheated zone ;(d )normalized zone ;(e )partial phase transition zone
的残余应力相对较高,退火后降低得较多,于是所对应
且这种变化随电流的增大因残余应的硬度变化增大,
力增大而表现为硬度差增大。在正火区(图4(d ))和
部分相变区(图4(e )),焊接电流的变化对退火前后硬度的差值影响不大,意味着这两个区域的硬度受焊接残余应力的影响较小,其硬度差值主要取决于晶粒尺寸的大小;但另一方面,注意到从正火区到部分相变区,其退火前后硬度差值变大,这一试验结果恰好与在部分相变区发生的部分相变引起晶粒尺寸不均匀带来的应力增大现象相吻合。
2.3
焊接接头的强度与塑性
图5对比了不同焊接电流下,焊接接头退火前后
抗拉强度和伸长率的变化,可见退火后的强度均高于未退火的强度,而且,两者的差别在较大的170A 电流条件下更为明显。当焊接接头中存在残余应力时,即相当于在承受外加载荷之前,内部已经受到应力的作用,与拉伸载荷叠加就会降低焊缝接头实际承受拉伸的能力;而进行退火处理后,残余应力的影响减小,于
[13]是抗拉强度有所提高。
对于155A 小电流,退火后残余应力的降低使强
第5期倪潇,等:去应力退火对不同焊接电流下Q235钢焊接接头组织和性能的影响
69
度的回升不明显是因为输入焊件的热量低,产生的残值得注意的是,对应于小电流余应力低的缘故;然而,
下的焊接接头晶粒尺寸相对较小,但强度并非最高,一个合理的解释就是较小的焊接电流可能会引起焊缝未
以致焊缝的强度降低;而对于170A 大电焊透等缺陷,
流,焊接接头组织中存在的粗大枝晶以及较大的焊接
残余应力使抗拉强度在这一工艺条件下大为降低;退火后强度的改善则主要归因于与拉伸载荷同一方向的残余应力的显著减小提高了焊件承受拉伸载荷的能力,因此表现为退火前后的强度差值变大。显然,介于两者之间的160A 中电流,既可以减少焊接接头内焊不透等这样的缺陷,又不至于枝晶粗大以及熔池过热引起较大的焊接残余应力,因而,在此焊接条件下就有可能获得最好的强度
。
2.4
焊接接头的冲击韧性
图6表示在不同的焊接电流下,焊接接头退火前
后的冲击韧性变化曲线。由图6可见,无论是否进行
焊接接头的冲击韧性均在160A 的焊接电退火处理,
流条件下出现最大值。冲击韧性反映了材料在冲击载
荷作用下抵抗变形和断裂的能力,是材料强度与塑性的综合反映。结合前面讨论的3种电流下,退火前后焊接接头的组织与强度、塑性的关系可知,焊接电流小时,晶粒虽小,但可能存在的焊缝未焊透等缺陷会造成焊接接头的强度降低而使冲击韧性不高;焊接电流大时,粗大的柱状晶会显著恶化塑性而降低冲击韧性。因此,当焊接电流介于其间时,冲击韧性才有可能获得最大值
。
图6
图5
Fig.5
不同焊接电流下退火对焊接接头强度和
伸长率的影响
Effects of annealing on tensile strength and elongation of weld joints under different welding currents
不同焊接电流条件下退火前后焊接接头冲击韧性的变化Fig.6Variation of impact toughness of weld joints under different welding currents before and after annealing
对于155A 小电流焊件,退火后的残余应力降低使冲击韧性有了较大的回升,表明组织因素的影响开始占主导,此时,图5中所示的塑性大幅度提高恰好为这一分析提供了有力的支持;对于170A 大电流焊件,退火后的残余应力降低对冲击韧性的影响不明显,这就意味着相对于组织中粗大枝晶对塑性的不利影响远比残余应力的作用大得多,这与图5所示的退火前后焊接接头塑性没有明显改善的结果相吻合。而介于两者之间的160A 中电流焊件,适中的晶粒组织为焊缝较高的强度(见图5),于是在这一提供了良好的塑性,
获得了最佳的冲击韧性。焊接工艺条件下,
与退火前后的强度相比,焊接接头的塑性随焊接
电流的变化趋势与之相反。由图5可见,焊接接头出现最好塑性也是对应于160A 中电流的焊接条件,进行退火处理可提高焊缝的塑性。注意到退火对塑性的改善似乎对于小电流155A 比大电流170A 更有效。晶粒大小对金属性能的影响,实际上是晶界对位错运动的影响。晶粒越细,晶界越多,对位错运动的阻力就
金属的强度就越高。另一方面,晶粒越细,位错越大,
塞积造成的应力集中也小,滑移越均匀,所以金属的塑
[14]
性也得到改善。这种细晶强化方式可以使金属强度和塑性同时得到提高。然而,当焊接接头存在残余应力时,局部产生的弹性应变场就会削弱细晶组织的这种作用,对于155A 小电流焊接条件,一旦焊接产生
塑性就会得到很大的改善;但对于的残余应力消除,
170A 大电流焊接条件,即使消除了焊接应力,也无法改善粗大显微组织对塑性的不利影响,于是退火前后
的伸长率变化不大。
3结论
1)随焊接电流从155A 增加到170A ,焊接接头各特征区的显微组织粗化;进行去应力退火对其组织无明显影响。
2)随焊接电流从155A 增加到170A ,焊接接头各特征区的硬度随之下降;进行去应力退火可使硬度降低;焊接电流越大,退火前后焊接接头的硬度差越大。
第37卷2012年
第5期5
月
Vol. 37No. 5
HEAT TREATMENT OF METALS
May 2012
热处理工艺对0Cr13Ni5Mo 钢焊接接头组织和性能的影响
张
1
敏,孟
111,22强,张恩华,支金花,张海存
(1.西安理工大学材料科学与工程学院,陕西西安710048;
2.西安陕鼓动力股份有限公司,陕西西安710075)
620ħ +600ħ ,400ħ 回火。通过显微组织摘要:对马氏体不锈钢0Cr13Ni5Mo 焊接接头经过1000ħ 油淬后,分别进行了600ħ ,3种焊接接头中焊缝组织粗大,拉伸试验、冲击试验和硬度检测对3种焊接接头的组织和力学性能进行了研究。结果表明,硬分析、
度最高;焊接接头的韧性低于相应热处理状态下母材的韧性;随着回火温度的降低,韧性下降,强度提高。二次回火比一次回火组织更加细小,强度和韧性更好;620ħ +600ħ 二次回火后焊接接头具有比较理想的综合力学性能。关键词:马氏体不锈钢;焊后热处理;微观组织;力学性能中图分类号:TG142.71
文献标志码:A
文章编号:0254-6051(2012)05-0070-04
Effect of heat treatment on microstructure and mechanical properties of
welded joints of 0Cr13Ni5Mo steel
2
ZHANG Min 1,MENG Qiang 1,ZHANG Enhua 1,ZHI Jinhua 1,,ZHANG Haicun 2
(1.School of Materials Science and Engineering ,Xi'an University of Technology ,Xi'an Shaanxi 710048,China ;
2.Xi'an Shaangu Power Co.Ltd.,Xi'an Shaanxi 710075,China )
Abstract :Welded joints of 0Cr13Ni5Mo martensitic stainless steel were oil quenched at 1000ħ ,then tempered at 600ħ ,620ħ +600ħ ,400ħ ,respectively.Microstructure and mechanical properties of these three welded joints were investigated with microstructure analysis ,tensile test ,impact test and hardness detection.The results show that the microstructure of the weld zone is coarse and the hardness is highest.The toughness of welded joints is lower than that of the parent metal under the corresponding heat treatment.With decreasing of tempering temperature ,the toughness is reduced ,but the strength is increased.After twice tempering ,the microstructure is finer ,the strength and the toughness are better than that after once tempering.The mechanical properties of the welded joint tempered at 620ħ +600ħ are more preferable.Key words :martensitic stainless steel ;postweld heat treatment ;microstructure ;mechanical properties
收稿日期:2011-11-20作者简介:张
敏(1967—),男,陕西西安人,教授,博士,主要从事新型
焊接材料、焊接结构断裂强度和焊接工程结构方面的研究,已发表论文
0Cr13Ni5Mo 属于低碳马氏体不锈钢,是在Cr13
Mo 元型马氏体不锈钢的基础上降低含碳量,加入Ni 、
素而发展起来的。该钢适用于厚截面尺寸且要求可焊
70余篇。联系电话:029-82312205,E-mail :zhmmn@xaut.edu.cn 性良好的使用条件,由于具有高强度、高硬度、高耐磨
檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴檴
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电流的焊接条件下出现最大值。小电流焊接接头的退火对塑性和冲击韧性的改善比大电流焊接接头的退火更有效。
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