振動時效處理和消應力熱處理對304L不銹鋼焊接殘余應力的影響

王志剛 張建曉 王慶江

摘要：奧氏體不銹鋼在腐蝕性介質中工作時，若焊接接頭存在殘余應力易產生應力腐蝕裂紋，需進行消應力處理。文中對不同的消應力方法及其組合對304L 不銹鋼焊接接頭殘余應力的影響進行了試驗研究。結果表明，單純的消應力熱處理方式和進行機械振動時效處理均可有效去除焊縫及焊趾的峰值應力，應力峰值下降相當，采用消應力熱處理方式消應力相對比較均勻;采用振動時效+消應力熱處理的方式與單純的振動時效處理相比，應力峰值下降不明顯，與先退火后振動時效相比，焊縫處應力峰值略有下降;采用消應力熱處理+振動時效的方式，相比較單純消應力熱處理應力峰值下降明顯。

關鍵詞：消應力熱處理;304L不銹鋼;殘余應力;振動時效

中圖分類號： TG404????? 文獻標識碼： A文章編號：1001-2303（2022）02-0103-06

Influence of Vibration Aging Treatment and Stress Relief Annealing on Welding Residual Stress of 304L Stainless Steel

WANG Zhigang1，2， ZHANG Jianxiao1，2， WANG Qingjiang3

1. Lanzhou Lanshi Heavy Equipment Co.， Ltd.， Lanzhou 730314， China

2. Key Laboratory of Pressure Vessel Special Materials Welding in Gansu Province， Lanzhou 730314， China

3. Harbin Well Welding Co.， Ltd.， Harbing 150028， China

Abstract： When austenitic stainless steel works in corrosive medium， it is easy to generate stress corrosion crack if residual stress exists in welded joint， so stress relief treatment is needed. The influence of different stress relieving methods and their combinations on residual stress of 304L stainless steel welded joint are studied experimentally. The results show that both the simple stress relief annealing method and the mechanical vibration aging treatment can effectively relieve the peak stress of the weld and weld toe， the stress peak drops are equivalent， and the stress relief annealing method relieves stress more uni‐ formly. Compared with the simple vibration aging treatment， the decrease of stress peak of vibration aging + stress relief an‐ nealing method are not obvious， compared with the vibration aging after the first annealing， the stress peak of the weld re‐ duces slightly. Compared with the simple stress relief annealing method， the stress relief annealing + vibration aging method results in a significant decrease in the stress peak.

Keywords： stress relief annealing;304L stainless steel; residual stress; vibration aging

本文引用格式：王志剛，張建曉，王慶江.振動時效處理和消應力熱處理對304L不銹鋼焊接殘余應力的影響[J]. 電焊機，2022，52（02）：103-108.

Citation：WANGZhigang， ZHANG Jianxiao， WANG Qingjiang. Vibratory Stress Relief and Stress Relief Annealing On Stainless Steel Influence of Welding Residual Stress[J]. Electric Welding Machine， 2022， 52（02）：103-108.

0? 前言

奧氏體不銹鋼無磁性、韌性好，具有良好的蠕變抗力。當奧氏體不銹鋼中殘留有拉應力時，易產生應力腐蝕裂紋。奧氏體不銹鋼焊后消應力熱處理可以減少殘余應力，降低應力腐蝕開裂敏感性，但焊后熱處理不當時，則會加劇晶間腐蝕或σ相析出造成脆化。奧氏體不銹鋼加熱到900℃才能充分消除應力，溫度低于870℃時，只能消除部分應力，緩慢冷卻也能有效地消除應力[1]。

振動時效（Vibratory Stress Relief，VSR）又稱振動消除應力，主要是通過控制激振器的轉速和偏心使工件發生共振，讓工件需時效的部位產生一定幅度，一定周期的交變運動并吸收能量，使工件內部發生微觀粘彈塑性力學變化，從而降低工件的局部峰值應力和均化工件的殘余應力場[2-6]。

周金枝等[7]研究了表面不銹鋼304材料550℃下的殘余應力，最大值低于1/3屈服極限;饒德林等[8]研究發現，經過振動時效304L大底板的最大殘余應力平均值由175 MPa下降到120 MPa，下降量為31%;鐘誠等[11]研究發現奧氏體不銹鋼因其低導熱性和大膨脹系數會導致較高的殘余應力，通過試驗和數值模擬發現奧氏體不銹鋼最大焊接殘余應力接近甚至超過材料的非比例延伸強度，對奧氏體不銹鋼進行消應力處理具有重要意義。

文中采用低溫退火和機械振動時效兩種不同方法及其組合方法對304L不銹鋼焊接接頭進行消應力處理，并采用盲孔法測試殘余應力，研究不同處理方法對不銹鋼焊接接頭殘余應力的影響。對不銹鋼的應力消除量與消應力溫度等進行了研究

1? 試驗材料及方法

1.1? 試驗材料

試驗用試板尺寸為1 200 mm×240 mm×40 mm，材質為304L不銹鋼。焊材選用直徑3.2 mm的E308L不銹鋼焊條。板材和焊材的化學成分如表1所示，焊接工藝參數如表2所示，304L不銹鋼力學性能如表3所示，試件實物如圖1所示，接頭的坡口采用U型，如圖2所示。

1.2? 試驗方法

將1 200 mm×240 mm×40 mm試件焊接完成后切割成規格為600 mm×240 mm×40 mm的兩件，分別標為1#、2#試件。其中1#試件依次經過三個狀態：焊態、560℃×2 h熱處理、振動時效態;2#試件依次經過三個狀態：焊態、振動時效態、560℃×2 h消應力熱處理。消應力工藝參數為：電爐型號RT-3-60，額定功率60 kW，頻率50 Hz，額定溫度1 100℃，工作室尺寸1 000 mm×600 mm×500 mm。裝爐溫度小于400℃不控溫，以55℃/h 的速度升溫至560℃保溫2 h，再以55℃/h 的速度降至400℃以下出爐空冷。

振動時效處理如圖3、圖4所示，振動時效設備主要由主機、激振器、拾振器組成。激振器是振動時效的激振源，其安裝位置要求平整光滑，剛性較大，一般安裝在工件的端、角部位[7-9]。文中工件較小，安裝如圖4所示。將1#和2#試件固定在一起進行振動時效，總處理時間25 min，時效時間 T=20 min。振前加速度峰值 G=66.1 m/s2，振前共振頻率15200 Hz;振后加速度峰值G=55.3 m/s2，振后共振頻率15126 Hz。根據GB/T25712-2010《振動時效工藝參數選擇及效果評定方法》的規定，用振前殘余應力平均值（應力水平）、振后殘余應力平均值來計算應力消除率，焊接件的應力消除率應大于30%。

對每種狀態下的試件都進行盲孔法殘余應力測定并做記錄。使用靜態電阻應變儀設備型號為 S15-TS3890，鉆孔儀為ZDL-II 型，鉆孔直徑2 mm，鉆孔深度2 mm。盲孔法殘余應力測定位置如圖5所示，檢測殘余應力時，首先用小細的不銹鋼砂輪打磨測定區域，并用由粗100目到細的800目砂紙逐步進行拋光，直至鏡面后進行電解拋光。然后貼應力應變片進行檢測，如圖6所示。

2? 試驗結果及分析

2.1? 消應力熱處理效果

1#試件焊接完成后進行盲孔法殘余應力檢測，然后在電爐進行560℃×2 h 的消應力熱處理處理后檢測其焊接接頭殘余應力，結果如圖7所示。

可以看出，1#試件焊接接頭經過560℃×2 h的消應力熱處理后，焊縫殘余應力較焊態下降了28%，焊趾較焊態下降了約33%。

2.2? 振動時效處理效果

對2#試件焊接完成后進行盲孔法殘余應力檢測，然后再采用機械振動時效方法進行處理，然后檢測其焊接接頭殘余應力，結果如圖8所示。

可以看出，2#試件焊接接頭經過振動時效處理后，焊縫殘余應力較焊態下降了22%，焊趾較焊態下降了約27%。

2.3? 消應力熱處理+振動時效與振動時效+消應力熱處理效果

對1#試件焊接+消應力熱處理+振動時效處理完成后進行盲孔法殘余應力檢測;對2#試件焊接+振動時效+消應力熱處理后進行盲孔法殘余應力檢測。試驗結果如圖9所示。

可以看出，1#試樣在經過消應力熱處理+振動時效后，焊縫中心和焊趾部位的殘余應力要低于先經過振動時效的。

對比圖7、圖9可知，1#試件焊接接頭焊態經過先消應力熱處理再進行振動時效與焊態時相比，焊縫殘余應力下降了40%，焊趾下降了約50%。對比圖8、圖9可知，2#試件先進行振動時效再進行消應力熱處理處理與焊態時相比，焊縫殘余應力下降了34%，焊趾下降了約42%。

綜上可知，焊縫經過振動時效處理后，應力峰值明顯下降，與單純進行（560±10）℃×2 h消應力熱處理效果相當。采用（560±10）℃×2 h消應力熱處理后再進行振動時效的方式（下降40%），與單純消應力熱處理的方式（下降28%）相比焊縫應力峰值明顯下降，下降波動較小，應力峰值得到進一步的均勻化。采用振動時效后再進行560±10℃×2 h消應力熱處理的方式（下降34%）與只進行振動時效處理（下降22%）相比，應力峰值下降較小。

振動時效是給工件施加一個與其固有頻率相一致的周期激振力，使其產生共振，從而使工件獲得一定的振動能量，使工件內部產生微觀的塑性變形，從而使造成殘余應力的歪曲晶格被漸漸地恢復平衡狀態，晶粒內部的位錯逐漸滑移并重新纏繞釘扎，使得殘余應力得以消除和均化。消應力熱處理使工件迅速膨脹和收縮，降低材料的屈服極限，使晶格滑移，產生微小的塑性變形，從而將殘余應力釋放、降低和均化[10-13]。二者均隨著時效的溫度和外力的增大而效果更明顯。

3? 結論

（1）304L不銹鋼焊縫經過560℃的消應力熱處理與采用振動時效處理消除殘余應力效果相當;模擬件筒體縱縫焊后經振動時效處理后殘余應力和工件變形得到有效控制，符合GB/T4334.4中E法晶間腐蝕要求。

（2）對304L不銹鋼焊接接頭進行機械振動時效處理，均能有效去除焊縫及焊趾的峰值應力，應力峰值下降相當，且較消應力熱處理方式更為均勻。

（3）采用先消應力熱處理再振動時效的方式，相比較單純消應力熱處理應力峰值下降明顯;

采用先振動時效在消應力熱處理方式，相比較單純消應力熱處理應力峰值下降不明顯。

（4）建議對含穩定化元素的奧氏體不銹鋼設備，適用于應力腐蝕環境或焊接后有一定殘余應力的，可以采取振動時效方式消除應力。

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