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奥氏体不锈钢焊接接头的喷丸

作者:亚美体育 发布时间:2015-05-19点击:
   不锈钢焊接接头的焊接残余应力为SCC提供了应力来源。对于焊接构件而言,即使在无载荷情况下放置,只要存在适当的腐蚀介质,也可能产生应力腐蚀裂纹。因而必须消除焊接残余应力以提高焊接构件抗应力腐蚀的能力。喷丸工艺能够使焊接构件表层残余应力从拉应力转变成压应力,阻止腐蚀的发展,从而大大提高焊接构件的抗应力腐蚀能力。 
   目前应用喷丸工艺提高材料抗应力腐蚀能力选用的大多是钢丸,然而喷丸过程中钢丸容易产生碎片,碎片残留在工件表面,有时会引起电化学腐蚀,反而降低了抗腐蚀能力[11],而玻璃丸喷丸则不存在这样的问题,文献[12]研究结果表明:玻璃丸喷丸处理能提高800合金的抗应力腐蚀能力。所以本章针对 AISI304奥氏体不锈钢焊接接头,选用玻璃丸和钢丸两种弹丸进行喷丸处理,应用X衍射法对未经喷丸处理和不同喷丸工艺处理后的焊接接头进行残余应力测定,并观察材料微观组织形貌的变化,为优化喷丸工艺及应力腐蚀加速试验方案的确定提供数据。 

1、不锈钢焊接试验 :

1.1、试验材料:
   AISI304 奥氏体不锈钢化学成分如表 2-1 所示,其单向拉伸时的σ-ε 曲线见图2-1。 
表2-1 304不锈钢的化学成分和机械性能
表2-1 304不锈钢的化学成分和机械性能 
图 2-1 304 不锈钢σ-ε 曲线
图 2-1 304 不锈钢σ-ε 曲线 
图2-2焊接试板的几何尺寸/mm
图2-2焊接试板的几何尺寸/mm
图2-3焊接过程中试板的约束状态
图2-3焊接过程中试板的约束状态

2、 焊接工艺 :

   试板尺寸见图2-2。采用手工氩弧焊(TIG),焊接时试板受约束以减小变形,如图2-3所示。分两道焊接,焊完第一道后让焊缝自然冷却,待第一道焊冷却完全后再开始第二道焊接。焊机为富力(Free)牌WSM-400C型手工焊机。焊接工艺见表2-2。 
表2-2焊接参数
 焊接规范 焊接规范

3、焊接残余应力的测定 :

1)X 射线衍射法原理:
   由金属学可知,对于一定金属材料,其晶格中的晶面间距d是一定的。当 X射线射入金属点阵后,将发生衍射,其衍射角?与晶面间距d成一定关系(布拉格关系)。当由应力引起晶面间距 d 变化后,衍射角 ? 也随之变化。X 射线应力仪可准确地测量出衍射角?的变化,从而根据弹性力学方程计算出应力大小。 
2)测试仪器 试验采用:
   2903 型 X 射线应力仪测定残余应力,测定前先用无应力铁粉对应变仪进行标定。标定参数如表2-3所示。 
表2-3 X 射线应力测定条件
表2-3 X 射线应力测定条件 

4、焊接接头残余应力测量结果 :
图2-4焊板上表面应力测试点位置/mm
图2-4焊板上表面应力测试点位置/mm
   X 射线衍射法是非破坏性的,只能测量表面应力。本试验测量上表面中间部位的横向路径和热影响区的纵向路径(如图 2-4 所示)上几个点的纵向残余应力。应力值见表2-4,应力分布见图2-5。 
(1)纵向残余应力沿横向路径由焊缝和热影响区的拉应力迅速转变为母材区域的压应力,测点最大应力达到0.76sσ 。 
(2)在焊缝两端附近区域的纵向为压应力,焊缝的中间区域存在较大的纵向拉应力,最大值接近材料的屈服强度,而这些拉应力的存在可能为应力腐蚀开裂提高条件。
(3)纵向路径的残余应力呈准对称状态分布。 

5、不锈钢焊接接头喷丸试验 :

5.1、喷丸工艺:
   试验定性比较玻璃丸和钢丸两种弹丸喷丸试板的抗应力腐蚀能力。喷丸处理前的焊接试板仅清洁表面,不做其它任何处理,保持原有应力状态。喷丸开始时,首先测定喷丸强度,以 fA表示(使用 A 试片,材料为弹簧钢)。两种弹丸选用相同的喷丸强度(0.2mmA)。同时必须确定满覆盖率的喷丸时间 tc,对于选定的试板、弹丸和空气压强,逐渐增加喷丸时间,同时观察表面覆盖率情况,若经图像证实弹痕覆盖面积达到试板表面积的98%左右,则此时的喷丸时间为tc。50%、200%覆盖率的喷丸时间分别是100%覆盖率喷丸时间的二分之一、两倍。喷丸规范见表2-5。 
表2-5  喷丸工艺参数
表2-5  喷丸工艺参数 
5.2、 残余应力的测定:
   X 射线应力仪测定喷丸层的表面残余压应力。测定参数如表 2-6 所示。 
5.3、试板表面形貌:
   用可调焦相机拍摄试板表面以观察表面形貌状况,放大倍数为2。 
表2-6 X 射线应力测定条件
表2-6 X 射线应力测定条件 

5.4、显微组织分析:
   将试板采用线切割方法制成小块,截面用10%的草酸腐蚀,在XJZ-6型金相显微镜上做显微分析。 

6、喷丸试验结果 :

1)应力值:
   试验仅测量试板上表面中间部位的残余应力,测量点如图 2-6 所示,测量结果见表2-7。 
   从表2-7可以看出:
(1)不论是玻璃丸喷丸还是钢丸喷丸,覆盖率越大,产生的残余压应力值越大,200%覆盖率的玻璃丸喷丸产生的压应力超过了 AISI304不锈钢的屈服极限,部分奥氏体转变成了马氏体,材料得到强化[13]。
(2)相同喷丸强度和覆盖率下,玻璃丸喷丸产生的压应力比钢丸喷丸产生的压应力大。说明弹丸的大小和速度对残余应力值影响很大。
(3)由同一试板不同点的测定值,可以看出焊接残余拉应力在很大程度上影响喷丸残余应力的分布。焊接残余应力与喷丸残余应力并不是简单的叠加得到最终应力值。 
图2-6 喷丸试板表面应力测试点位置 /mm
图2-6 喷丸试板表面应力测试点位置 /mm 

表2-7 喷丸试板表面纵向残余应力值
表2-7 喷丸试板表面纵向残余应力值 
   B50-玻璃喷丸,覆盖率 50%;B100-玻璃喷丸,覆盖率 100%;B200-玻璃喷丸,覆盖率 200%; G50-钢丸喷丸,覆盖率 50%;G100-钢丸喷丸,覆盖率 100%;G200-钢丸喷丸,覆盖率 200%; WP-未喷丸。 
2)试板表面形貌 
   玻璃丸半径0.1mm,钢丸半径0.3mm。不同的覆盖率喷丸处理后,试板表面形貌见图2-7。从图中可以看出,覆盖率越高,吸附在试板表面的弹丸越多。 
图2-7 不同覆盖率喷丸后焊接试板表面形貌
图2-7 不同覆盖率喷丸后焊接试板表面形貌 
图2-8未喷丸和喷丸试板的显微组织
图2-8未喷丸和喷丸试板的显微组织
3)显微组织 
焊接试板在几种不同喷丸工艺参数下喷丸后截面的金相组织见图2-8。由图2-8可知,试板表面形变层的深度与喷丸工艺参数有很大的关系: 
(1)未喷丸的焊接试板表面基本没有塑性形变层。
(2)不论是玻璃丸喷丸处理还是钢丸喷丸处理的试板,覆盖率越大,其形变层越深;热影响区的形变层比母材的形变层浅,这是热影响区晶格粗大的缘故。
(3)采用相同的喷丸强度和覆盖率,玻璃丸的形变层更深。 

   喷丸过程中弹丸与试板表面碰撞接触的时间很短,碰撞产生的瞬时应力将以碰撞点为中心向试板内部传播,并逐渐减小,因此弹丸每次碰撞所产生的塑性变形被限制在以碰撞点为中心的局部区域内,这将导致试板表面碰撞点附近的位错密度很高,离碰撞中心越远位错密度越低,使得沿试板喷丸表面向心部方向变形程度的不均匀性,随着离喷丸表面距离的增加,塑性变形逐渐减弱,并且弹丸撞击强度越大,这种形变层就越深。另外,弹丸在试板表面的撞击位置具有随机性,从整个过程来看,表面各处被撞击的机会均等,所以,尽管每次撞击具有变形不均匀性,但试板表面某一深度的变形量应该是趋于一致的。由于在不同的工艺参数下,弹丸撞击表面的强度不同,所以喷丸后试板表面的形变层深度也不同。 

7、 小结 :

   本章应用X射线应力仪测定仪对不同喷丸工艺处理后的焊接接头试板的表面的应力进行测量,并对其金相组织进行分析,获得如下结论: 
(1)焊接接头中焊缝及其附近的表面纵向残余应力为拉应力,远离焊缝区为压应力,焊缝两端也为压应力。而且测得的最大纵向残余应力接近材料的屈服强度,为应力腐蚀开裂提供了应力来源。
(2)喷丸试板随着覆盖率的增大,表面的压应力逐渐增大,而且焊接接头的焊接残余拉应力对喷丸残余应力有削弱作用。
(3)相同的喷丸强度,玻璃丸粒小且速度快,产生的压应力大。所以丸粒的大小和速度对喷丸应力影响很大。
(4)覆盖率越大,喷丸试板的形变层越深;而且玻璃丸喷丸的形变层比钢丸喷丸的形变层深。 
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