CN113832330A - 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
本发明提供一种提高低铬型不锈钢焊接接头低温韧性的热处理方法，根据接头形式及使用要求不同，采用单热处理工艺或双热处理工艺方法；热处理温度为700～1000℃，保温时间为5～25分钟，冷却方式为空冷或水冷，经过焊后热处理工艺处理的焊接接头脆性转变温度由焊态时的0℃以上可降低至－40℃以下同时其他力学性能包括拉伸、弯曲、耐蚀性等不降低，通过准确控制A1点附近的亚临界热处理，从而发生了马氏体晶粒内部的亚结构转变，即位错密度大幅降低，板条马氏体转变为粒状马氏体，从而提高低温力学性能，并且通过焊后的均匀化热处理工艺可实现接头区的晶粒完全细化，经过该工艺热处理的不锈钢接头HAZ的低温冲击韧性可提高4倍以上。
Description
技术领域
本发明涉及金属加工和热处理工艺技术领域，尤其是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品种，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，从长期服役的角度，该不锈钢具有良好的费用－效能比。
铁素体+马氏体组织的12Cr不锈钢中的化学成分特点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值按照式1计算得出，其中各元素的含量为质量百分比(ω％)。
FF＝Cr+6Si+8Ti+4Mo+2Al+4Nb-2Mn-4Ni-40(C+N) (1)
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其发展应用的瓶颈环节，并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，LowTemperature Heat-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非常差，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，达不到构件对冲击韧性的要求。因此，该类不锈钢的应用受到了极大的限制，焊接工艺和焊接性研究工作也进展缓慢。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种提高低铬型不锈钢焊接接头低温韧性的热处理方法，具体提供一种可显著提高铬含量为11～14％低铬铁素体不锈钢薄板焊接接头低温冲击韧性的焊后热处理方法，本发明可从根本上解决低铬型不锈钢由于粗大的组织而使焊接接头力学性能严重降低的问题，经过该工艺热处理的不锈钢接头HAZ的低温冲击韧性可提高4倍以上，甚至高于奥氏体不锈钢焊缝的冲击韧性，使得该不锈钢接头的性能满足结构件的使用要求。
本发明的技术方案为：一种提高低铬型不锈钢焊接接头低温韧性的热处理方法，所述的方法根据接头形式及使用要求不同，可采用单热处理工艺或双热处理工艺方法；
且该类型的不锈钢在800℃-1380℃之间存在一个(α+γ)两相区，该两相区的下边界温度以A1表示，上边界温度以A3表示，具体如下：
S1)、只对焊接接头实施于A1温度的焊后热处理，该处理针对采用奥氏体焊材且母材熔合较小的焊接接头；
根据工件的厚度及形状，保温5～30分钟后空冷，可进行整体热处理，或进行局部热处理，或在焊接完成后马上进行在线感应热处理；
该工艺适用于服役环境不低于0℃的高熔合比焊接件(等离子、高频感应焊接等)和服役环境低于0℃的开坡口填充奥氏体焊材的低熔合比焊接件(熔化极气体保护焊、填丝TIG焊等)；
如果进行炉内整体热处理，先将炉温升至750-850℃之间的某个温度，然后将焊件放入炉内保温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℃之间保温5～25分钟然后空冷即可；
如果在线感应热处理时，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，保证加热温度稳定在750～850℃之间并保温5～25分钟即可保证接头性能获得提高；
S2)、针对不填充奥氏体焊材或填充量很小的焊接接头；
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5～25分钟，空冷或水冷至室温，然后进行步骤S1)的热处理的方法。
本发明的有益效果为：
1、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；并且还可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接仍然保持性能不降低
2、本发明的热处理工艺时，不需要特殊的热处理设备，工艺简单，成本低，并具有可操作性强和可反复操作的特点；
3、本发明根据工件的厚度及形状，选择热处理的方式，具有保温时间短，操作简单，对设备及工况环境要求低等特点，可利用热履带等加热设备实现焊接接头的局部热处理，解决大型构件无法整体热处理的难题；
4、本发明通过准确控制A1点附近的亚临界热处理，从而发生了马氏体晶粒内部的亚结构转变，即位错密度大幅降低，板条马氏体转变为粒状马氏体，从而提高低温力学性能，并且通过焊后的均匀化热处理工艺可实现接头区的晶粒完全细化，经过该工艺热处理的不锈钢接头HAZ的低温冲击韧性可提高4倍以上，甚至高于奥氏体不锈钢焊缝的冲击韧性，使得该不锈钢接头的性能满足结构件的使用要求；
5、本发明经过焊后热处理工艺处理的焊接接头脆性转变温度由焊态时的0℃以上可降低至－40℃以下(以冲击韧性35J/cm2为标准)，同时其他力学性能包括拉伸、弯曲、耐蚀性等不降低；
附图说明
图1为本发明亚临界热处理前后HAZ中马氏体SEM形貌对比图，其中，(a)为焊态的SEM形貌图，(b)为热处理态后的SEM形态图；
图2为本发明热处理前后HAZ中马氏体TEM形貌对比图，其中，(a)为焊态的SEM形貌图，(b)为均匀热处理态后的SEM形态图，(c)为亚临界热处理态位错密度降低的TEM形貌图，(d)为亚临界热处理态亚晶界形貌图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：
实施例1
本实施例的不锈钢在800℃-1380℃之间存在一个(α+γ)两相区，该两相区的下边界以A1表示，上边界以A3表示。该两相区的存在对于低铬型不锈钢的组织性能及焊接性具有重要作用。退火酸洗态的板材在室温时母材组织为主导相铁素体+少量马氏体，这种两相组织的结构相对于单相铁素体组织，具有良好的综合性能包括低温冲击韧性(脆韧转变温度低于－40℃)和加工性能等。另外，该两相区的存在使得焊接HAZ在焊接热循环过程中发生相变，马氏体晶粒的存在使铁素体晶粒不至于过分粗化，而且通过焊后的均匀化热处理工艺可实现接头区的晶粒完全细化，通过焊接HAZ的实际焊接热循环曲线的测定。
另外，12％Cr型不锈钢是一种替代型经济不锈钢，用来取代涂层碳钢和低合金钢，是整个不锈钢家族中替代碳钢最成功的钢种。成功应用于湿滑磨损环境中，作为农业、矿业、粉末加工工业的材料，广泛应用于交通运输业如乘用车车厢、铁路车辆、拖车、卡车及矿石运输车以及制管业、制糖业等。1.4003不锈钢是其中的典型牌号，其化学成分范围如表1所示；
表1 1.4003不锈钢的化学成分范围(ω％)
本实施例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％的Ar+3％的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。试验表明，焊态的焊接接头HAZ及熔合线的-40℃低温冲击功为7-11J；焊缝中心为38-48J，母材为35-45J。因此HAZ与焊缝和母材的性能严重不匹配，不能满足使用要求。经过该工艺热处理后的接头HAZ-40℃低温冲击功可达到40J以上(半试样)，焊缝的性能不受影响，同时母材的-40℃低温冲击功也得到了提高，达到80J以上(半试样)。
热处理工艺为先将电阻炉加热到750-850℃之间的某个温度，然后打开炉门将焊件放入，关上炉门后，待温度升到临界温度时开始计时，10-20分钟后取出空冷即可。
试验表明，加热温度和保温时间对性能的提高有重要的影响，本发明的关键技术在于根据具体情况确定加热温度和保温时间。
实施例2
本实施例中的不锈钢牌号同实施例1，采用等离子焊接方法制造壁厚为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。由于等离子焊接热量集中且焊接热输入较大，尽管HAZ很窄，但是焊缝和HAZ的晶粒异常粗大，晶粒度在2级以上。冲击试验结果表明，室温冲击吸收功(半标准试样)为5-9J之间，极易发生脆断。
因此，对焊态的1.4003不锈钢管进行热处理，由于奥氏体焊材填充量小，因此选择双热处理工艺。先将炉温升至850-950℃之间的某个温度，然后将钢管装入，保温10-30分钟后出炉，空冷至室温。随后进行A1温度附近的亚临界热处理，将热处理炉升温至750-850℃之间的某个温度，然后将钢管装入，保温10-15分钟后出炉，空冷至室温即可。
经过本热处理工艺后的焊接接头的组织得到了改善，焊缝及HAZ在0°时的冲击吸收功可保证达到80J以上(半标准试样)，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的提高，完全能够满足工况条件对不锈钢管的力学性能要求。
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。
上述热处理工艺的关键技术在于温度及时间的选择，如果选择不当，则无法实现性能的提升。其中，最关键的工艺为A1点附近的亚临界热处理，如果选择时间过短，则不会发生组织的亚临界转变；如果保温时间过长，则组织发生了马氏体的回火转变，铁素体+碳化物的回火组织不会提高接头的低温力学性能。扫描电子显微镜(SEM)及透射电子显微镜(TEM)的观察结果表明，通过亚临界热处理发生了马氏体晶粒内部的亚结构转变(位错密度大幅降低，板条马氏体转变为粒状马氏体)是低温力学性能获得大幅提升的根本原因，如图1(a)、图1(b)和图2(a)、图2(b)、图2(c)、图2(d)所示。
本发明经过焊后热处理工艺处理的焊接接头脆性转变温度由焊态时的0℃以上可降低至－40℃以下(以冲击韧性35J/cm2为标准)，同时其他力学性能包括拉伸、弯曲、耐蚀性等不降低。
上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理和最佳实施例，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。
Claims (4)
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，所述的方法根据接头形式及使用要求不同，可采用单热处理工艺或双热处理工艺方法，该类型的不锈钢在800℃-1380℃之间存在一个(α+γ)两相区，该两相区的下边界温度以A1表示，上边界温度以A3表示，具体如下：
S1)、只对焊接接头实施于A1温度的焊后热处理，该处理针对采用奥氏体焊材且母材熔合较小的焊接接头；
根据工件的厚度及形状，处理温度为700～1000℃，保温5～30分钟后空冷，可进行整体热处理，或进行局部热处理，或在焊接完成后马上进行在线感应热处理；
S2)、针对不填充奥氏体焊材或填充量很小的焊接接头；
该首先选定(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5～25分钟，空冷或水冷至室温，然后进行步骤S1)的热处理的方法；
通过准确控制A1点附近的亚临界热处理，从而发生了马氏体晶粒内部的亚结构转变，即位错密度大幅降低，板条马氏体转变为粒状马氏体，从而提高低温力学性能，并且通过焊后的均匀化热处理工艺可实现接头区的晶粒完全细化，经过该工艺热处理的不锈钢接头HAZ的低温冲击韧性可提高4倍以上，并且经过焊后热处理工艺处理的焊接接头脆性转变温度由焊态时的0℃以上可降低至－40℃以下，同时其他力学性能包括拉伸、弯曲、耐蚀性等不降低。
2.根据权利要求1所述的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：步骤S1)中，
如果进行炉内整体热处理，先将炉温升至750-850℃之间的某个温度，然后将焊件放入炉内保温5～30分钟，然后空冷或水冷至室温即可。
3.根据权利要求1所述的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：步骤S1)中，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℃之间保温5～25分钟然后空冷即可。
4.根据权利要求1所述的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：步骤S1)中，如果在线感应热处理时，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，需保证加热温度稳定在750～850℃之间并保温5～25分钟。
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| CN1550565A (zh) * | 2003-05-14 | 2004-12-01 | ������������ʽ���� | 高强度不锈钢板及其制造方法 |
| CN110527793A (zh) * | 2019-09-06 | 2019-12-03 | 武汉科技大学 | 一种提高低铬型不锈钢焊接接头低温韧性的热处理方法 |
-
2021
- 2021-09-07 CN CN202111043777.2A patent/CN113832330A/zh active Pending
Patent Citations (2)
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