CN114807582B - 一种304l厚板不锈钢工件焊接后去应力热处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种304L厚板不锈钢工件焊接后去应力热处理方法，采用电加热炉进行去应力热处理，包括如下步骤：步骤1：焊接；步骤2：工件焊接后常温入炉，炉内温度也为常温。步骤3，电加热炉升温；步骤4，工件温度达到345～355℃后，保温1h，保温结束后升温；步骤5，工件温度达到495～505℃后，保温1h，保温结束后升温；步骤6，工件温度达到630℃后，开始保温2～4h；步骤7，保温结束后，工件炉冷降温；步骤8，工件温度达到75～85℃后，将电加热炉通风口打开；步骤9，工件温度达到常温时，出电加热炉。本发明在不产生敏化、脆化的前提下能够去除304L厚板不锈钢工件40％以上残余应力，保证工件在低温工况下的尺寸稳定性。

Description

一种304L厚板不锈钢工件焊接后去应力热处理方法

技术领域

本发明涉及一种钢材热处理方法，具体涉及一种304L厚板不锈钢工件焊接后去应力热处理方法，属于钢铁处理技术领域。

背景技术

304L奥氏体不锈钢在深冷温度下具有较高的强度、优良的低温塑性和韧性，常用于制作液氮、液氧、LNG等深冷低温压力容器，是一种不可缺少的低温工程材料。但304L线膨胀系数大，焊接后残余应力远大于碳钢，尤其是厚板的焊接，若不去除部分残余应力，304L厚板不锈钢工件在低温下容易发生变形，发生尺寸失稳。

304L奥氏体不锈钢具有良好的抗蠕变性，要想完全消除304L焊接后的残留应力，则需对工件进行固溶处理，温度一般在900℃以上，且需要进行水淬降温，否则碳化物将在缓冷中再次析出。但对于厚板不锈钢工件而言，水淬降温会来带来新的不均匀的冷却应力，而且对大型工件进行900℃以上整体焊后热处理成本极高，在实际工程中几乎没有应用。而在900℃以下对304L厚板不锈钢工件进行热处理存在如下问题：1、热处理温度太低去应力效果不明显，热处理温度太高碳化物M₂₃C₆和σ相都会快速析出，前者会使工件敏化，后者会导致脆化和降低韧性；2、热处理保温时间太短，厚板不锈钢工件去应力效果不佳，热处理保温时间太长，工件容易发生敏化；3、热处理升温速度和降温速度太大，厚板不锈钢工件会产生不均匀热应力导致工件发生变形，热处理升温速度和降温速度太小，工件容易发生敏化。

虽然304L奥氏体不锈钢广泛应用于制作低温设备，但国内对厚度为60～100mm的厚板不锈钢工件去应力热处理方法的研究很少，可用于指导工程应用的研究成果几乎没有，鉴于这一现状，有必要深入地研究304L厚板不锈钢工件去应力热处理方法。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种厚度为60～100mm的304L厚板不锈钢工件焊接后去应力热处理方法，采用该方法，工件在不产生敏化、脆化的前提下能够去除40％以上残余应力，且在热处理过程中工件受热均匀，不产生新的热应力，保证尺寸精度。

本发明具体是这样实现的：

一种304L厚板不锈钢工件焊接后去应力热处理方法，采用电加热炉进行去应力热处理，包括如下步骤：

步骤1：304L厚板不锈钢工件采用超低碳全奥氏体焊材进行焊接；

步骤2：工件焊接后常温入炉，炉内温度也为常温。工件在炉内为立式状态，底部采用可移动垫板支撑；

步骤3，电加热炉以55～65℃/h速度升温；

步骤4，工件温度达到345～355℃后，保温1h，保温结束后电加热炉以40～45℃/h速度升温；

步骤5，工件温度达到495～505℃后，保温1h，保温结束后电加热炉以40～45℃/h速度升温；

步骤6，工件温度达到630℃后，开始保温，保温温度为630±10℃，保温时间为2～4h；

步骤7，保温结束后，工件炉冷降温；

步骤8，工件温度达到75～85℃后，将电加热炉通风口打开，加速降温；

步骤9，工件温度达到常温时，出电加热炉。

更进一步的方案是：

电加热炉底部均匀分布有钢结构短立柱，钢结构短立柱四周包裹有保温棉，顶面设置有若干圆钢，圆钢上设置有垫板，热处理过程中工件发生膨胀、收缩时可在垫板上自由移动。

需要说明的是，电加热炉底部的结构可以有所变化，只要能够保证在热处理过程中工件不论是膨胀还是收缩时都可以自由移动即可。

更进一步的方案是：

工件炉冷降温时控制降温速度≤30℃/h。

更进一步的方案是：

电加热炉前、后、左、右四面炉墙一共设置有8～12个通风口，通风口可填塞保温棉进行保温，通过拆除保温棉可加速降温。

对厚度在60～100mm的304L厚板不锈钢工件焊后去应力热处理，要特别注意工件在升温、保温、降温过程中的温度均匀性。这是由于奥氏体不锈钢导热性差，热膨胀系数大，在焊后热处理过程中工件不同位置很容易产生温差，若温差较大，工件会产生不平衡热应力，导致结构变形，难以保证尺寸精度。工件入炉时炉内温度与工件同为常温可以保证工件起始受热均匀，防止工件外壁与内壁产生温差；常温到345～355℃温度区间，厚板工件升温比较容易，对电加热炉功率要求不高，以55～65℃/h升温可以有效保证工件加热均匀性；345～355℃保温温度区间，厚板工件升温稍显困难，电加热炉必须以高功率加热，在电加热炉额定容量一定的情况下，温度越高升温越困难，因此以较低的升温速率40～45℃/h进行升温，保证工件受热均匀；为进一步减少工件温差，在345～355℃和495～505℃分别保温1h，可以有效保证工件在升温过程中的尺寸稳定性；采用630±10℃×2～4h进行保温，能够最大去除工件残余应力且不发生敏化和脆化，保温时间过短，去应力效果不佳，保温时间过长，焊缝容易产生敏化；304L不锈钢由于热膨胀系数大，热胀冷缩现象十分明显，特别是结构复杂的厚板工件，因此在降温过程中降温速率不能过大，过大的降温速率同样会使工件有很大温差发生变形，因此采用炉冷方式进行冷却；电加热炉通风口打开时，靠近通风口处的工件位置降温速率会增大，但当工件自身温度在75～85℃后，这种温差对工件变形影响非常小，因此可以在工件温度达到该范围后加速冷却。

为保证304L厚板不锈钢工件在焊后热处理过程中受热均匀，加热、保温、冷却的时间非常长，若采用普通含有一定量铁素体的奥氏体不锈钢焊材焊接，焊缝很容易产生敏化，而超低碳全奥氏体焊材由于碳含量低，熔敷金属中几乎没有铁素体，避免了铁素体中碳的析出迁移，抗晶间腐蚀性能优良，适用于需要进行焊后去应力热处理的304L厚板不锈钢焊接。

304L厚板不锈钢工件受热后屈服强度会变低，特别是在630℃进行热处理，屈服强度在80MPa以下，若采用卧式状态进行热处理，工件软化后会因为自重而发生坍塌变形，因此立式状态进行热处理。工件在热处理过程中会发生膨胀收缩，为防止工件变形，必须是工件处于一种无拘束状态，工件底部的垫板和钢结构短立柱之间设置有圆钢，可以滑动，使工件在热胀冷缩时处于无拘束状态。

本发明的焊接工艺有益效果如下：

在不产生敏化、脆化的前提下能够去除304L厚板不锈钢工件40％以上残余应力，保证工件在低温工况下的尺寸稳定性，且在热处理过程中工件受热均匀，不产生新的热应力，能够保证尺寸精度。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1为实施例1焊缝经A法晶间腐蚀后金相照片；

图2为实施例1焊接接头经E法晶间腐蚀后金相照片；

图3为实施例3焊缝经A法晶间腐蚀后金相照片；

图4为实施例3焊接接头经E法晶间腐蚀后金相照片；

图5为实施例4焊缝经A法晶间腐蚀后金相照片；

图6为实施例4焊接接头经E法晶间腐蚀后金相照片；

具体实施方式

将80mm厚度的304L奥氏体不锈钢零件拼装成小型工件，采用化学成分为3系列的超低碳全奥氏体焊材进行施焊，焊接方法为焊条电弧焊。工件经无损检测合格后在电加热炉内进行去应力热处理。

实施例1

去应力热处理方法如下：

步骤1：工件常温入炉，炉内温度也为常温。工件在炉内为立式状态，底部采用可移动垫板支撑，垫板底部设置有圆钢，圆钢底部设置有H型钢，H型钢均匀放置在电加热炉底部，H型钢四周填塞有保温棉。

步骤2，电加热炉以60℃/h速度升温；

步骤3，工件温度达到350℃后，保温1h，保温结束后电加热炉以42℃/h速度升温；

步骤4，工件温度达到500℃后，保温1h，保温结束后电加热炉以42℃/h速度升温；

步骤5，工件温度达到630℃后，开始保温，保温温度为630±10℃，保温时间为4h；

步骤6，保温结束后，工件炉冷降温，并控制降温速度≤30℃/h；

步骤7，工件温度达到80℃后，将电加热炉前、后、左、右四面炉墙通风口中的保温棉拆除，通过空气对流加速降温；

步骤8，工件温度达到常温时，出电加热炉。

采用盲孔法测量工件去应力热处理前后的残余应力，利用卷尺、钢直尺、水平尺等量具测量工件去应力热处理后的尺寸，对去应力热处理后的工件取样进行晶间腐蚀(A法和E法)试验和-196℃冲击试验，结果如表1所示。热处理后对焊缝经A法晶间腐蚀后金相照片如附图1所示，对焊接接头经E法晶间腐蚀后金相照片如附图2所示；

表1：实施例1试验结果

实施例2

去应力热处理方法如下：工件温度达到630℃后，开始保温，保温温度为630±10℃，保温时间为1h，其余工艺与实施例1一致。

试验方法与实施例1一致，试验结果如表2所示。

表2：实施例2试验结果

实施例3

去应力热处理方法如下：工件温度达到550℃后，开始保温，保温温度为550±10℃，保温时间为2h，其余工艺与实施例1一致。

热处理后对焊缝经A法晶间腐蚀后金相照片如附图3所示，对焊接接头经E法晶间腐蚀后金相照片如附图4所示；

试验方法与实施例1一致，试验结果如表3所示。

表3：实施例3试验结果

实施例4

去应力热处理方法如下：工件温度达到650℃后，开始保温，保温温度为650±10℃，保温时间为2h，其余工艺与实施例1一致。

热处理后对焊缝经A法晶间腐蚀后金相照片如附图5所示，对焊接接头经E法晶间腐蚀后金相照片如附图6所示；

试验方法与实施例1一致，试验结果如表4所示。

表4：实施例4试验结果

实施例5

去应力热处理方法如下：

步骤1：工件常温入炉，炉内温度也为常温。工件在炉内为立式状态，底部采用可移动垫板支撑，垫板底部设置有圆钢，圆钢底部设置有H型钢，H型钢均匀放置在电加热炉底部，H型钢四周填塞有保温棉。

步骤2，电加热炉以90℃/h速度升温；

步骤3，工件温度达到630℃后，开始保温，保温温度为630±10℃，保温时间为3h；

步骤4，保温结束后，炉冷冷却，当工件温度降到400℃后，将电加热炉前、后、左、右四面炉墙通风口中的保温棉拆除，打开电加热炉少许间隙控制降温速度≥80℃/h；

步骤5，工件温度达到常温时，出电加热炉。

试验方法与实施例1一致，试验结果如表5所示。

表5：实施例5试验结果

实施例1的工件经过去应力热处理后能够消除40％以上残余应力，焊接接头没有晶间腐蚀倾向，焊缝低温韧性较好，工件整体尺寸精度高。实施例2的工件去应力热处理保温时间为1h，由于保温时间短，而工件较厚，因此消除残余应力效果比实施例1差。实施例3的工件去应力热处理保温温度为550℃，虽然工件没有敏化和脆化，但由于保温温度太低，消除残余应力效果较差。实施例4的工件消除残余应力效果最好，但是由于去应力热处理保温温度过高，工件发生了敏化，具有晶间腐蚀倾向，因此304L厚板不锈钢去应力热处理保温温暖不宜达到650℃。实施例5的工件去应力热处理升温速度和降温速度相对于实施例1～4是最大的，过快的升温速度和降温速度会导致工件在热处理过程中产生新的不平衡热应力，造成变形，这对于厚板工件尤为明显，因此304L厚板不锈钢在去应力热处理过程中要控制升温速度和降温速度，保证工件均匀受热和降温。

本实施例采用630℃×2～4h的去应力热处理工艺，能够消除304L厚板不锈钢工件40％以上的残余应力，且工件不发生敏化和脆化，解决了304L厚板不锈钢工件焊后残余应力过大在低温工况下易产生尺寸失稳的难题。

本实施例采用的去应力热处理方法，能够使304L厚板不锈钢工件在热处理过程中均匀受热、结构稳定，解决了304L厚板不锈钢工件在热处理过程中易产生不平衡热应力导致结构变形的难题。

尽管这里参照本发明的解释性实施例对本发明进行了描述，上述实施例仅为本发明较佳的实施方式，本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。

Claims (7)

1.一种304L厚板不锈钢工件焊接后去应力热处理方法，采用电加热炉进行去应力热处理，其特征在于包括如下步骤：

步骤1：304L厚板不锈钢工件采用超低碳全奥氏体焊材进行焊接；

步骤2：工件焊接后常温入炉，炉内温度也为常温；工件在炉内为立式状态，底部采用可移动垫板支撑；

步骤3，电加热炉以55～65℃/h速度升温；

步骤4，工件温度达到345～355℃后，保温1h，保温结束后电加热炉以40～45℃/h速度升温；

步骤5，工件温度达到495～505℃后，保温1h，保温结束后电加热炉以40～45℃/h速度升温；

步骤6，工件温度达到630℃后，开始保温，保温温度为630±10℃，保温时间为2～4h；

步骤7，保温结束后，工件炉冷降温；

步骤8，工件温度达到75～85℃后，将电加热炉通风口打开，加速降温；

步骤9，工件温度达到常温时，出电加热炉。

2.根据权利要求1所述热处理方法，其特征在于：

步骤3中电加热炉以60℃/h速度升温。

3.根据权利要求1所述热处理方法，其特征在于：

步骤4中，保温结束后电加热炉以42℃/h速度升温。

4.根据权利要求1所述热处理方法，其特征在于：

步骤5中，保温结束后电加热炉以42℃/h速度升温。

5.根据权利要求1所述热处理方法，其特征在于：

电加热炉底部均匀分布有钢结构短立柱，钢结构短立柱四周包裹有保温棉，顶面设置有若干圆钢，圆钢上设置有垫板，热处理过程中工件发生膨胀、收缩时可在垫板上自由移动。

6.根据权利要求1所述热处理方法，其特征在于：

工件炉冷降温时控制降温速度≤30℃/h。

7.根据权利要求1所述热处理方法，其特征在于：

电加热炉前、后、左、右四面炉墙一共设置有8～12个通风口，通风口填塞保温棉进行保温，通过拆除保温棉加速降温。