奥氏体不锈钢具有良好的低温韧性、焊接性以及抗腐蚀等,被广泛应用于管道运输领域。本文研究的是一种型号为316L不锈钢管的奥氏体不锈钢在管道中的应用。既然涉及到管道,在制造和实际的使用过程中就会用到焊接工艺。由于焊接过程可以认为是一种迅速加热快速冷却的动态过程,导致焊接件不同部位的热传递不一致,使得焊缝和近焊缝区的温度场存在差异,造成焊接接头很容易产生各种缺陷,比如残余应力集中,孔洞,气孔,裂纹等。因此,焊接接头的性能将直接影响奥氏体不锈钢产品的可靠性。

本章首先进行316L不锈钢管焊接试件的准备工作,然后对试件进行脉冲放电实验,最后后对比分析放电前后试件的拉伸力学性能、断口扫描和硬度以及金相微观组织和残余应力,得出结论。

焊接试件的制备

材料的选取

316L不锈钢管具有较好的焊接性,在管道领域有广泛的应用。选择其作为管道焊接接头的材料具有一定代表性。焊条选用牌号为A202奥氏体不锈钢焊条。

焊接件工艺设计

焊接的方法采用氩弧焊,即通过钨极和被焊构件之间形成电弧进而产生大量的热量使被焊构件熔化,同时在惰性气体氩气的保护下外加填充焊丝得到焊接性能优越的焊接接头。在脉冲放电实验前准备焊接试件,焊接件由两个如图3-1所示的试件进行焊接。接头方式为对接形式。考虑到焊接前试件的焊接区会因加工过程而沾染油脂、灰尘,所以焊接前应进行清洗,用酒精、丙酮对焊缝区进行严格清洗。奥氏体不锈钢焊接的突出特点是对过热敏感,因此焊接时应该采用小电流、快速焊。

焊缝区金相组织分析

试样放电前和放电后焊缝区金相组织对比如图3-9所示。在焊接试样未进行放电处理时,焊缝凝固方式为FA(铁素体-奥氏体)方式。在最开始的凝固过程中,焊缝处在较高温度的环境下,δ铁素体最先析出。随着时间的往后,焊缝处的温度开始下降,一部分铁素体转变为奥氏体,又因为冷却速度较快,δ铁素体向奥氏体的转化是一个渐进的发展,δ铁素体向奥氏体转化并不完全,最后可以看到在奥氏体中残存着蠕虫状的和骨骼状的铁素体,有的在奥氏体晶界中,有部分分布在奥氏体上。凝固组织的树枝晶与胞状晶形态非常明显且方向性很强,容易造成应力的集中,降低焊接接头的承载能力。

放电后焊缝组织里的枝晶形态发生变化,其方向性已不明显,大部分区域的枝晶特征逐渐消失,取而代之的是以细小的多边形晶粒为主。放电后焊缝组织细化明显,单位面积上的晶粒数目大幅增加,整个凝固组织均匀化程度提高。此外,细化的晶粒在受到外力载荷作用的时候,其晶界具有较好的抵抗塑性变形的能力,自身的强度与硬度也会得到提高。焊缝组织的致密化提高使得焊缝处的孔洞也有显著的改善,表明了对焊接件进行脉冲放电强化,能够实现孔洞附近组织的钝化,有效阻止孔洞的扩展,改善了焊缝组织的应力集中,提高了接头的力学性能。

316L不锈钢管焊接接头力学性能分析

焊接接头的性能除了从微观的组织方面来判断外,还应该从宏观的角度即评价其力学性能来体现接头的优劣。随着生产生活中焊接件的广泛应用,对接头的各方面性能提出了更高的要求,因此对接头的力学性能需要进行全面的检测。评定焊接接头力学性能的指标一般包括强度、硬度、塑性、韧性等。本文对脉冲放电前后焊接接头进行拉伸、断口扫描、硬度等一系列实验,研究电磁热止裂技术对焊接接头力学性能的影响。

焊接接头拉伸断口分析

金属断口分析就是采用宏观和微观的方法,借助于放大镜、低倍率光学显微镜和电子显微镜(扫描电镜SEM、透视电镜TEM)等分析金属断口的形貌特征、断裂源的位置、裂纹扩展方向以及各种因素对金属破断形态影响的一种研究方法。本次实验采用型号Hitachi-3400N的扫描电子显微镜来分析焊接断口,通过扫描电镜分析断口形貌,放大倍数可以随意调节,而且成像逼真,立体感强,不需要复型,能克服断口复型技术中的很多限制。

断口的组织形貌多种多样,通过观察断口的宏观表面特征可以区分为塑性和韧性断口。微观上观察断口断裂的路径,断裂穿过晶体内部就是穿晶断裂,断裂沿着晶界走向就为沿晶断裂。观察微观上的组织是否存在许多小型的孔洞,若是在滑移面上能观察到这些微小孔洞。可称之为韧窝断口。另外根据断裂的机理还有解理断口和准接力断口等。

放电前后试样拉伸断口微观形貌如图所示。由图可知试件的断裂方式为金属韧性断裂。在断口形貌中存在大面积的韧窝,而金属韧性断裂最主要的微观形貌特征就是韧窝。对试件施加拉伸的过程中,在拉伸应力的作用下,组织表面的位错加剧,在金属表面最开始会生产一些极其细小的孔,在夹杂物等杂质的影响下,微小的孔会持续的生长以及聚集成大的孔,随着应力进一步增大,材料局部位置产生“内缩颈”。当缩颈尺寸达到一定大小后被撕裂,最终导致整个金属材料的断裂,在断口表面就会呈现一些大小、形状或深浅有差别的韧窝状结构。放电前试件拉伸断口韧窝数量少,比较稀疏,分布不均匀,脉冲放电处理后试件拉伸断口韧窝数量多且深,比较密集,表明焊接接头组织得到了细化。可知随着晶粒的细化,材料的韧脆转移温度降低,导致韧性的提高。同时在细晶粒材料中,缺陷的尺寸较小,使得断裂所需的应力较高。

本章对含有孔洞缺陷的316L不锈钢管焊接件进行电磁热止裂强化实验,对微观和宏观的角度研究了脉冲放电对含孔洞缺陷的影响。对焊接接头进行了金相分析、拉伸试验、断口扫描分析、硬度测试、X射线残余应力测试。放电前后试件的研究结果表明,放电强化后,试件的拉伸性能得到提升,平均拉伸强度提高22%。组织的硬度及强度显著增强,断口韧窝相比放电前变得密集,焊接接头的熔合区晶粒细化明显,大量的枝状晶向细小的圆点状晶粒转化。焊接件残余应力相比放电前得到明显的改善。有力的表明了脉冲放电对316L不锈钢管焊接接头强化可行性。