CN110527793B - 一种提高低铬型不锈钢焊接接头低温韧性的热处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种提高低铬型不锈钢焊接接头低温韧性的热处理方法。其技术方案是：将低铬型不锈钢焊接接头采用单热处理工艺或双热处理工艺，热处理方式为整体热处理或为局部热处理，热处理温度为700～1000℃，保温5～30分钟，然后进行空冷或水冷。低温韧性热处理后的低铬型不锈钢焊接接头的脆性转变温度由0℃以上降低至‑40℃以下，拉伸性能、弯曲性能和耐蚀性能均不降低。所述低铬型不锈钢焊接接头：铬含量为11～14wt％，双相组织为铁素体+马氏体。本发明的保温时间短、工艺简单、成本低、可操作性强和对设备及工况环境要求低；能够满足结构、容器、管道和机器零件等对力学性能的要求，适用于该类不锈钢的所有方法获得的焊接接头。

Description

一种提高低铬型不锈钢焊接接头低温韧性的热处理方法
技术领域
本发明涉及一种低铬型不锈钢焊接接头技术领域。具体涉及一种提高低铬型不锈钢焊接接头低温韧性的热处理方法。
背景技术
低铬型(11～14％)不锈钢由于不含镍或含少量的镍，是迄今为止最经济的不锈钢。该类型的不锈钢品种众多，包括铁素体不锈钢、马氏体不锈钢和铁素体+马氏体两相组织不锈钢等，化学成分和应用领域也各不相同。其中的12Cr铁素体+马氏体两相组织不锈钢由于具有良好的综合性能，包括耐蚀性、力学性能和加工性能等，且镍含量低于1％，是一种理想的替代碳钢用于工业领域的不锈钢材料。
铁素体+马氏体组织的12Cr不锈钢中的化学成分为超低的碳和氮元素，同时添加了少量的铌或钛以改善耐蚀性，另外含有少量镍元素以保证在室温时组织中含有一定量的马氏体。通过将铁素体因子FF值控制在8以下，可以获得室温下组织为优势相铁素体和低碳板条马氏体的两相组织不锈钢。FF值按照公司计算得出，其中各元素的质量百含量(wt％)：
FF＝Cr+6Si+8Ti+4Mo+2Al+4Nb-2Mn-4Ni-40(C+N)
然而，长期以来，焊态的焊接接头力学性能尤其是塑韧性急剧下降成为限制应用的瓶颈环节，且通过采取改变焊接方法和优化焊接工艺都无法从根本上解决这一难题。研究表明，其根本原因在于在焊接热循环过程中，HAZ进入(α+γ)两相区后发生了相变重结晶和晶粒粗化现象。按照温度的不同，HAZ可分为两个明显的分区，即高温热影响区(HT-HAZ,High Temperature Heat-Affected Zone)和低温热影响区(LT-HAZ,Low TemperatureHeat-Affected Zone)，两分区域的温度分界线约为1200℃。
低温热影响区的组织特点为以细小的非平衡马氏体晶粒为主，呈脆硬的特点；而高温热影响区的特点为由于温度较高，铁素体晶粒发生了显著的粗化，性能下降。以上两种不利因素的共同作用导致了整个焊接接头的力学性能尤其是低温性能变差，当接头形式为水平对接时，比角接接头更容易发生断裂失效。试验表明，填充奥氏体焊丝获得的接头在-20℃时，HAZ的冲击韧性低于25J/cm2；而不填充奥氏体焊丝或焊丝填充量少的接头如高频感应焊接或等离子焊接接头在室温时的冲击韧性即低于25J/cm2，难以达到构件对冲击韧性的要求。因此，该类不锈钢的应用受到了限制，焊接工艺和焊接性研究工作也进展缓慢。
11～14％铬不锈钢品种众多，其中在室温以铁素体为主，同时含有少量马氏体的双相组织不锈钢(典型牌号如1.4003、3CR12等)。由于其具有优良的耐蚀性、成型性和力学性能等综合性能，在某些领域是一种理想的替代碳结构钢的品种，但由于焊接接头中形成的粗大铁素体和脆硬的马氏体晶粒的共同作用，焊态的接头塑性、韧性急剧降低，无法满足结构件对力学性能的要求。如等离子焊接获得的对接接头，由于奥氏体焊材填充量少，母材熔合比大，因此在室温下冲击试验结果都呈脆性断口，冲击韧性远低于35J/cm2，无法在工程结构中得到实际应用。即使采用开坡口填充奥氏体焊材获得的接头，HAZ(heat-affectedzone)中距熔合线较近位置的脆韧转变温度也在0℃以上。这一缺陷极大地限制了该类经济型不锈钢在工业领域的广泛应用。该类不锈钢中的牌号如1.4003、3CR12、X2CrNi12等可采用手工电弧焊、钨极氩弧焊、熔化极氩弧焊、复合弧焊、等离子焊和激光焊等方法进行焊接并获得成形良好的接头，但是接头的低温冲击韧性都处于较低的水平。
含11～14％铬的超级马氏体不锈钢，一般采用固溶处理+高温回火的双焊后热处理工艺，目的是通过固溶处理实现奥氏体化，消除δ铁素体，在随后的高温回火中获得更多的残留奥氏体比例以提高焊接接头的力学性能。而经济型12Cr不锈钢由于镍含量一般小于1％，高温时不存在单相奥氏体区，在800～1380℃温度区间处于奥氏体+铁素体的两相区，在室温时也无残留奥氏体。室温时焊态组织特点为脆硬的非平衡马氏体+粗大的铁素体晶粒。通过高温回火也无法获得残留奥氏体以提高力学性能，而由铁素体+碳化物组成的回火马氏体组织也不具有较高的力学性能。
发明内容
本发明旨在克服现有技术缺陷，目的在于提供一种保温时间短、操作简单、对设备及工况环境要求低的提高低铬型不锈钢焊接接头低温韧性的热处理方法，该方法能够满足结构、容器、管道和机器零件等对力学性能的要求，尤其适用于大型构件的热处理。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：将低铬型不锈钢焊接接头采用单热处理工艺或双热处理工艺，热处理方式为整体热处理或为局部热处理，热处理的温度为700～1000℃，保温5～30分钟，然后进行冷却，冷却方式为空冷或水冷。
低温韧性热处理后的低铬型不锈钢焊接接头的脆性转变温度由0℃以上降低至-40℃以下，拉伸性能、弯曲性能和耐蚀性能均不降低。
所述低铬型不锈钢焊接接头：铬含量为11～14wt％，双相组织为铁素体+马氏体。
由于采用上述技术方案，本发明与现有技术相比具有如下积极效果：
本发明采用的是两种技术方案，一种方案是针对采用奥氏体焊材且母材熔合比较小的焊接接头(工艺A，即单PWHT)，另一种则适用于不填充奥氏体焊材或填充量很小的焊接接头(工艺B，双PWHT)。
(1)工艺A只对焊接接头实施于A1附近温度的焊后热处理，根据工件的厚度及形状，保温5～30分钟后空冷。可以进行整体热处理，也可以进行局部热处理，也可以在焊接完成后马上进行在线感应热处理。如果进行炉内整体热处理，先将炉温升至750～850℃，然后将焊接接头放入炉内保温5～30分钟，然后空冷或水冷至室温即可；如果进行局部热处理，则将电脑控温的加热带覆盖在焊接接头上，升温速度为20～100℃/min，在750～850℃保温5～30分钟，空冷即可；在线感应热处理时，感应线圈组数和感应加热区长度要根据焊接速度和保温时间来确定，由于感应加热的特点，温度上升快，只要保证加热温度稳定在750～850℃并保温5～30分钟，能保证焊接接头性能获得提高。
工艺B首先选定(α+γ)两相区的某一温度进行均匀化热处理，以消除焊缝及HAZ的粗大晶粒，保温时间为5～30分钟，空冷或水冷至室温，热处理的方法及设备与所述工艺A相同。经过均匀化热处理的接头虽然晶粒获得了细化，但低温韧性仍非常低，此时的脆韧转变温度仍在0℃以上。因此，需要进行上述工艺A的PWHT过程，即通过双PWHT工艺，使焊接接头性能得到显著提升。
(2)本发明涉及一种提高低铬型(11～14％)双相组织(铁素体+马氏体)不锈钢焊接接头低温冲击韧性的热处理方法，其关键技术在于特殊的双焊后热处理(PWHT)工艺，即均匀化热处理+亚临界热处理工艺。
对焊接接头首先进行在α+γ两相区的均匀化热处理，在此区间发生相变重结晶后晶粒细化，冷却至室温后组织为脆性的马氏体+铁素体的两相组织，力学性能有所提高，但韧脆转变温度仍在0℃以上。随后进行的(α+γ)两相区A1温度附近的亚临界热处理过程中，由于在马氏体晶粒内部发生了亚结构(位错、亚晶界等)的转变，获得了一种特殊的马氏体的稳定形态，该形态的马氏体具有优良的低温韧性。试验结果表明：焊接接头HAZ的-40℃时的低温冲击韧性从原来的不到25J/cm2提高到100J/cm2以上，完全能够满足结构、容器、管道和机器零件等对力学性能的要求。
本发明适用于低铬不锈钢采用所有焊接方法形成的焊接接头，应用于对低温冲韧性有较高要求的场合。并且用于由于不适当的焊接工艺而导致的焊接缺陷的返修处理，经过多次相同工艺的热处理后焊接性能仍不降低。本发明不需要特殊的热处理设备和工况环境，工艺简单和成本低，并具有可操作性强和可反复操作的特点。
因此，本发明具有保温时间短、工艺简单、成本低、可操作性强和对设备及工况环境要求低的的特点；能够满足结构、容器、管道和机器零件等对力学性能的要求，适用于该类不锈钢的所有方法获得的焊接接头。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步描述，并非随其保护范围的限制：
实施例1
一种提高低铬型不锈钢焊接接头低温韧性的热处理方法。本实施例所述热处理方法是：
本实施例采用12％Cr型不锈钢1.4003，双相组织为铁素体+马氏体，采用熔化极氩弧焊，焊接厚度为6mm的钢板，水平对接，60°坡口，焊丝为1.2mm的E308L奥氏体不锈钢实芯焊丝；保护气体为97％Ar+3％CO2的混合气体，两道焊缝完成。每道焊缝的热输入为0.6～0.8kJ/mm。焊后加工尺寸为5×10×55mm3的V形缺口冲击试样，缺口深度为2mm。
本实施例的热处理工艺为单热处理工艺；热处理方式为整体热处理：先将电阻炉加热到750～850℃，然后打开炉门将焊件放入，关上炉门，待温度升到目标温度时开始计时，保温10～30分钟，取出空冷即可。
试验结果表明，热处理前的焊接接头：HAZ及熔合线的-40℃低温冲击功为7～11J；焊缝中心的-40℃低温冲击功为38～48J；母材的-40℃低温冲击功为35～45J。故HAZ与焊缝和母材的性能严重不匹配，不能满足使用要求。经过本实施例热处理后的焊接接头：HAZ及熔合线的-40℃低温冲击功为40J以上(半试样)，焊缝的性能不受影响，同时母材的-40℃低温冲击功也提高到80J以上(半试样)。
实施例2
一种提高低铬型不锈钢焊接接头低温韧性的热处理方法。本实施例所述热处理方法是：
本实施例采用12％Cr型不锈钢1.4003，所述不锈钢为等离子焊接方法制造的壁厚为5mm的不锈钢焊管，直径为711mm，不开坡口不留间隙，填充少量E308L焊丝以获得合适的余高。采用小孔型等离子焊接方法单道焊接完成，焊接热输入约为1.3kJ左右。焊后加工尺寸为5×10×55mm3的V形缺口冲击试样，缺口深度为2mm。
本实施例的热处理工艺双热处理工艺，先将炉温升至850～1000℃，然后将钢管装入炉内，保温10～30分钟，出炉，空冷至室温。再进行A1温度附近的亚临界热处理，将热处理炉升温至700～850℃，然后将钢管装入，保温10～30分钟后出炉，空冷至室温即可。
试验结果表明，焊接前的焊接接头：HAZ在0℃时的冲击吸收功(半试样)为5～9J，极易发生脆断；经过本实施例的热处理后的HAZ在0℃时的冲击吸收功为80J以上(半试样)，在-40℃时仍表现为韧性断裂特点，同时母材的冲击吸收功也得到了提高。
另外，该热处理工艺可以重复进行，经过多次该热处理工艺的焊接接头的冲击性能没有发生变化。因此，该项技术具有很强的实用性与适应性，易于实现工业化。
本具体实施方式与现有技术相比具有如下积极效果：
本具体实施方式采用的是两种技术方案，一种方案是针对采用奥氏体焊材且母材熔合比较小的焊接接头(工艺A，即单PWHT)，另一种则适用于不填充奥氏体焊材或填充量很小的焊接接头(工艺B，双PWHT)。
(1)工艺A只对焊接接头实施于A1附近温度的焊后热处理，根据工件的厚度及形状，保温5～30分钟后空冷。可以进行整体热处理，也可以进行局部热处理，也可以在焊接完成后马上进行在线感应热处理。如果进行炉内整体热处理，先将炉温升至750～850℃，然后将焊接接头放入炉内保温5～30分钟，然后空冷或水冷至室温即可；如果进行局部热处理，则将电脑控温的加热带覆盖在焊接接头上，升温速度为20～100℃/min，在750～850℃保温5～30分钟，空冷即可；在线感应热处理时，感应线圈组数和感应加热区长度要根据焊接速度和保温时间来确定，由于感应加热的特点，温度上升快，只要保证加热温度稳定在750～850℃并保温5～30分钟，能保证焊接接头性能获得提高。
工艺B首先选定(α+γ)两相区的某一温度进行均匀化热处理，以消除焊缝及HAZ的粗大晶粒，保温时间为5～30分钟，空冷或水冷至室温，热处理的方法及设备与所述工艺A相同。经过均匀化热处理的接头虽然晶粒获得了细化，但低温韧性仍非常低，此时的脆韧转变温度仍在0℃以上。因此，需要进行上述工艺A的PWHT过程，即通过双PWHT工艺，使焊接接头性能得到显著提升。
(2)本具体实施方式涉及一种提高低铬型(11～14％)双相组织(铁素体+马氏体)不锈钢焊接接头低温冲击韧性的热处理方法，其关键技术在于特殊的双焊后热处理(PWHT)工艺，即均匀化热处理+亚临界热处理工艺。
对焊接接头首先进行在α+γ两相区的均匀化热处理，在此区间发生相变重结晶后晶粒细化，冷却至室温后组织为脆性的马氏体+铁素体的两相组织，力学性能有所提高，但韧脆转变温度仍在0℃以上。随后进行的(α+γ)两相区A1温度附近的亚临界热处理过程中，由于在马氏体晶粒内部发生了亚结构(位错、亚晶界等)的转变，获得了一种特殊的马氏体的稳定形态，该形态的马氏体具有优良的低温韧性。试验结果表明：焊接接头HAZ的-40℃时的低温冲击韧性从原来的不到25J/cm2提高到100J/cm2以上，完全能够满足结构、容器、管道和机器零件等对力学性能的要求。
本具体实施方式适用于低铬不锈钢采用所有焊接方法形成的焊接接头，应用于对低温冲韧性有较高要求的场合。并且用于由于不适当的焊接工艺而导致的焊接缺陷的返修处理，经过多次相同工艺的热处理后焊接性能仍不降低。本具体实施方式不需要特殊的热处理设备和工况环境，工艺简单和成本低，并具有可操作性强和可反复操作的特点。
因此，本具体实施方式具有保温时间短、工艺简单、成本低、可操作性强和对设备及工况环境要求低的的特点；能够满足结构、容器、管道和机器零件等对力学性能的要求，适用于该类不锈钢的所有方法获得的焊接接头。

Claims (1)

1.一种提高低铬型不锈钢焊接接头低温韧性的热处理方法，其特征在于将低铬型不锈钢焊接接头采用双热处理工艺，热处理方式为整体热处理或为局部热处理，热处理的温度为700～1000℃，保温5～30分钟，然后进行冷却，冷却方式为空冷或水冷；具体为，对焊接接头首先进行在α+γ两相区的均匀化热处理，在此区间发生相变重结晶后晶粒细化，冷却至室温后组织为脆性的马氏体+铁素体的两相组织，力学性能有所提高，但韧脆转变温度仍在0℃以上；随后进行的α+γ两相区A1温度附近的亚临界热处理过程中，由于在马氏体晶粒内部发生了亚结构的转变，获得了一种特殊的马氏体的稳定形态，该形态的马氏体具有优良的低温韧性；
低温韧性热处理后的低铬型不锈钢焊接接头的脆性转变温度由0℃以上降低至-40℃以下，拉伸性能、弯曲性能和耐蚀性能均不降低；
所述低铬型不锈钢焊接接头：铬含量为11～14wt％，双相组织为铁素体+马氏体。
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Application publication date: 20191203

Assignee: Wuhan Hanwei Lida Technology Co.,Ltd.

Assignor: WUHAN University OF SCIENCE AND TECHNOLOGY

Contract record no.: X2022420000074

Denomination of invention: A heat treatment method for improving low-temperature toughness of low-chromium stainless steel welded joints

Granted publication date: 20210720

License type: Common License

Record date: 20220818