低温热处理对202不锈钢电阻焊焊接接头组织和性能的影响

李卫东，李婧，赵向南，丁紫阳（.河南省锅炉压力容器安全检测研究院，郑州45006；.河南省煤科院耐磨技术有限公司，郑州45000）

低温热处理对202不锈钢电阻焊焊接接头组织和性能的影响

李卫东1，李婧1，赵向南1，丁紫阳2
（1.河南省锅炉压力容器安全检测研究院，郑州450016；2.河南省煤科院耐磨技术有限公司，郑州450001）

摘要：采用低温热处理的方法处理202不锈钢电阻焊焊接接头，并且对热处理后的焊接接头进行金相采集、拉伸试验、磨损试验、抗疲劳性能测试.实验表明：随着保温温度的升高，焊缝晶粒尺寸逐渐细化，且温度对组织的影响大于时间的影响，疲劳寿命随着热处理温度和时间的延长逐渐增大，380℃达到或者接近消除焊接应力所需的焊接温度.

关键词：低温热处理；不锈钢；电阻焊；焊接接头；显微组织

不锈钢由于电阻率高、线膨胀系数大、热导率低等特点，使其在焊接过程中容易发生焊接变形且焊接接头会产生较为敏感的热裂纹倾向，故不锈钢的焊接方式、工艺参数对焊接接头影响很大.生产实践表明，不锈钢很适合电阻焊[1-3].电阻焊是将工件组合后置于两电极之间施加一定压力，并对需要焊接处通以强大电流，利用工件电阻产生的电阻热效应将其加热到熔化状态，断电后，在压力的作用下实现金属结合，从而形成牢固焊接接头的一种连接方法[4-5].202不锈钢是目前比较常用的一种不锈钢，主要应用在建筑装饰、市政工程等领域，通过电阻焊加工成各种产品[6-7].然而，焊接过程中焊接应力很难避免，焊接应力的存在会导致焊接区的韧性和塑性较低，降低产品使用寿命.为了消除减小焊接应力，提高焊接接头的抗拉强度和疲劳寿命，需要对焊接接头进行焊后热处理.本文以202不锈钢为研究对象，研究了低温热处理对202不锈钢焊接接头的组织和性能的影响.

1　试验方法

1.1试验材料

试验材料选用202不锈钢圆丝，其化学成分如表1.

表1　试验用202不锈钢化学成分Table 1 The chemical compositions of 202 stainless steel in experiment

1.2试验过程

将电阻焊焊接后的202不锈钢圆丝按照不同的热处理工艺在SX-4-10箱式电阻炉中进行焊后热处理.其热处理分别采取如下工艺参数：热处理温度为260℃、325℃、380℃时，保温时间分别为：2 h、2.5 h、3 h℃.即共9组对比实验.具体热处理工艺如图1.

图1　低温热处理工艺Fig.1 Process of low temperature heat treatment

将热处理后的202不锈钢焊接接头依次进行取样、镶样、人工研磨、机械抛光、电解抛光后，采用OLYMPVS（BH-2）金相显微镜观察电阻焊焊缝的显微组织.

采用岛津SHIMADZU（AG-1C）50KN立式电子万能试验机测量热处理前后202不锈钢电阻焊焊缝的拉伸性能，拉伸速度为1 mm/min.

磨损试验采用低应力磨损试验机，其结构如图2.

图2　低应力磨损试验机简易结构Fig.2 Simple chart of low stress wear tester

抗疲劳性能测试所用试验仪器为滚动式疲劳试验机[8-9].该试验机是在低应力磨损试验机的基础上改装而成.具体试验方法是首先用电阻焊制得焊接试样，然后将各试样进行取样，本文所采用的试样长度为30 cm，将各待测试样放在试验机的工作位置.试验机的转盘上固定着由硬橡胶弹性板和钢板组合而成的小锤，用小锤敲击试样，来模拟试样所承受的工况，疲劳试验机的转速保持不变，反复敲击试样直至试样断裂为止.敲击过程中，每间隔3 h重新固定试样，保证试验的准确有效进行.每组疲劳试样测量3~ 5次，取其平均值，用于后续的分析对比.

图3　260℃下不同保温时间处理后的焊缝组织Fig.3 Weld microstructure of different holding time at 260℃

2　试验结果与分析

2.1低温热处理对202不锈钢电阻焊焊缝组织的影响

不同低温热处理工艺处理后的焊缝组织如图3.

由图3可以看出，在热处理温度为260℃时，随着保温时间的延长，焊缝晶粒尺寸虽然有所细化，但是晶间碳化物却逐渐增大，其原因可能是显微组织中低熔点杂质聚集晶界.

由图4可以看出，在热处理温度为325℃时，随着保温时间的延长，焊缝晶粒尺寸明显细化，且显微组织中低熔点杂质和晶间碳化物逐渐减少，碳化物尺寸趋于一致并分布更加均匀.

由图5可以看出，在热处理温度为380℃时，随着保温时间的延长，焊缝晶粒尺寸先减小然后再长大.在380℃保温3 h后，晶粒有了较为明显的长大.其可能原因是：在较低温度热处理时，变形量较小的202不锈钢，由于形变储能较低，致使无法在低温短时间内提供足够的晶界迁移驱动力，导致晶界的迁移反应过慢[10-11].同时在低温短时间的退火过程中，晶界也会由于碳化物及低熔点化合物的钉扎作用而很难迁移，而低熔点化合物溶解也需要一定时间，所以，需要在较高温度较长时间的退火下才能促使晶界更好的迁移，以优化组织晶粒分布.随着温度的升高，过剩空位的消失并伴随了原子的偏聚和有害杂质气体的逸出，所以熔合区晶粒随着保温温度的上升和保温时间的增加，略有细化[12].但在380℃保温3 h后熔合区晶粒开始有了较为明显增大，这主要是因为当偏聚区达到稳定或亚稳定尺寸和密度时，偏聚区长大将中止，随之原子的偏聚也将停止，并随保温时间的增长而长大.

对比图3、图4、图5可以看出，随着保温温度的升高，202不锈钢焊缝晶粒尺寸逐渐细化，且显微组织中低熔点杂质和晶间碳化物逐渐减少.相比保温温度而言，保温时间对焊缝组织的影响相对较小.综上，对于202不锈钢的焊后热处理，起主要作用的是加热温度，如果加热温度达不到规范温度，即使延长保温时间，也难以达到充分消除残余应力的目的.

2.2低温热处理对202不锈钢电阻焊焊接接头力学性能的影响

202不锈钢采用不同低温热处理工艺处理后的力学性能如表2.

图4　325℃下不同保温时间处理后的焊缝组织Fig.4 Weld microstructure of different holding time at 325℃

图5　380℃下不同保温时间处理后的焊缝组织Fig.5 Weld microstructure of different holding time at 380℃

由表2可以看出，热处理温度为260℃时，随着保温时间的增长，其抗拉强度和疲劳寿命均有一定程度的提高，但是变化范围并不大，说明在260℃并没有达到消除焊接应力所需的规范温度.这主要是因为当材料热处理时，如果热处理所设置的温度低于材料所需的规范温度，则保温时间对残余应力的影响很小，即延长热处理的保温时间无法显著消除焊接残余应力[13-15].热处理温度为380℃时，抗拉强度和疲劳寿命相比处理之前均提高了很多，说明在380℃已达到或者接近消除焊接应力所需的热处理温度，由于晶粒的细化，随着晶间碳化物和低熔点杂质的减少，焊接各组织中空位、位错等缺陷密度的下降，应力集中得以逐渐消除，焊件的抗拉强度和疲劳寿命均有大幅提高.在380℃保温2.5 h下，抗拉强度达到最大值，但在380℃保温3 h下，试样的抗拉强度却出现了下降，这是因为焊缝的晶粒在此时较之以往出现了粗化，导致了焊缝晶粒之间结合力降低.而疲劳寿命，则随着温度和保温时间的延长，焊件得以软化，焊接应力有了较大的消除，疲劳寿命则随之逐渐增大.

表2　202不锈钢采用不同低温热处理工艺处理后的力学性能Table 2 Mechanical properties of 202 stainless steel using different low-temperature heat treatment

3　结　论

1）202不锈钢的低温热处理工艺对焊接接头组织影响很大，且加热温度对组织的影响大于加热时间的影响.

2）202不锈钢的疲劳寿命随着热处理保温温度和保温时间的延长逐渐增大，力学性能得到改善，且抗拉强度和疲劳寿命在380℃时提高很多，达到或者接近消除焊接应力所需的焊接温度.

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Effects of low temperature heat treatment on electric resistance welded joints microstructure and properties of 202 stainless steel

LI Weidong1, LI Jing1, ZHAO Xiangnan1, DING Ziyang2
（1.Henan Boiler and Pressure Vessel Safety Inspection Institute, Zhengzhou 450016,China;
2.Henan Mei-ke-yuan Wear-resisting Technology Co., Ltd, Zhengzhou 450001, China）

Abstract:The electric resistance welded joints of 202 stainless steel were treated with low temperature heat treatment method, and then proceeded by metallographic collection, tensile test, wear test and fatigue resistance test. The experimental results show that: with the rising of temperature, the grain size of weld joints is gradually refined, and the effect of temperature is greater than the effect of time on the microstructure. Moreover, the fatigue life increases with the increase of heat treatment temperature and time, and 380℃is at or near the required welding temperature of eliminating welding stress.

Key words:low temperature heat treatment; stainless steel; electric resistance welded; welded joints; microstructure

作者简介：李卫东（1976-），男，工程师，主要从事金属压力容器材料、性能及技术监督的研究工作，E-mail：tingzideshengyin@126.com.

收稿日期：2015－01－05

DOI：10.13264/j.cnki.ysjskx.2015.04.014

文章编号：1674-9669（2015）04-0066-04

中图分类号：TG142.1；TF124.83

文献标志码：A