304不锈钢管O型密封环主要用于管路系统、压力容器的密封。采▓用密封式全位置TIG管管焊(不加焊丝),进行焊接接头的制作。研究焊接工艺、热处理制度对焊接接头组织、性能的影响。合适的工艺参数,使得↓焊接后管材的强度、硬度及扩口、压扁工艺性能均可达到使用要求;对焊♂接接头进行1020℃固溶热处理,随着保温时间【的延长,焊接接头延伸率提高,组织趋于均匀化,当『保温时间为90min时,焊接接头可获得较好的力学性能及较为均匀的组织。

在航空、航天、核电和石油化工等领域,压力容器一般都是在温度高、压力大、腐□蚀性强等条件下工作,因此传统的橡胶类密封圈不能满足使用要求。金属空心O形密封环具有耐高温、耐腐蚀、气密性好的特性,适用于低温、高温、高压及高真空密封的场←合。通常情况下根据密封介质的压力、温度、理化性质(腐蚀性、易燃性、放射性、渗透性)来选择金属空心O形密封环所用材料,在反应堆压力容器中常采用Inconel718合金制造O形密封环。而对于一般工业压力容器,通常采用不锈钢管来制造金属空心O形环。在不同的情况下也可用低碳钢管、铝管、铜管、因科镍管、蒙乃尔管、镍铬合金→等

在国内,空心金属O形环的研究始于二十世纪六十年代初期,当时研究空心金属O形环是为了解决发动机上600℃以上的高温密封问题。之后,有研究者对焊接技术@ 进行了研究:原航↓天部一院O形环三结合研究小组,对1Cr18Ni9Ti不锈钢管空心金属O形环焊接工艺进行了∏试验总结,认为采用电阻对焊法,焊后接头内孔容易堵塞、密封性能较差;蒋应田等通过钨极氩孤焊和微束等离子『焊的配合,解决了20mmx0.8mm不锈钢薄壁管焊接存在的焊接变形大、焊缝成形不好的问题;上海四方锅炉厂采用自行设计、制造的难熔电极自动氢弧焊专用设备,对1Cr18Ni9Ti空心金属O形环进行焊接,得到质量良好的焊接接头。也有一∑些研究者对"O"形环焊接性能进行了研究:张敬才对种不锈钢管O形环的压扁特性进行了分析;陈洪军等对304不锈钢管多种截面尺寸的O形环短管试样进行多级压扁回弹√试验及O形环力学行为的有限元分析;合肥通用机械研究所高压密封课题组["]不锈钢管O形环进行了常温、高温密封试验以及一些基础的试验;石泽华ㄨ等对718O形圈氨气定量密封进行了实验、分析,实验证明了金属O形圈在氦分子气体介质条件下密封性能优良。

然而,对不锈钢管O形密封环的焊接工艺、热处理工艺与性能评价的研究还相对较少,而这些方面对O形密封环的使用性能有着重要影响。本文通过对◥焊接工艺、热处理制度和焊接接头组织、性能的研究,获得具有良好使用性能的管路系统、压力容器密封用304不锈钢管O”形密◥封环焊接接头。

1实验ぷ材料及方法

实验对象为304不锈钢管,其尺寸规格为18 mmx1.5mm,采用iArc orbital 1200数字化程控管焊电源+ H3000型密封式全位〖置管管焊(不加焊丝),对两种焊接工艺(工艺A、工艺B)施焊后的焊接接头进行形貌观察,初步◥确定了合适的焊接工艺(工艺B),并通∩过力学性能和压扁、扩口工艺性能分析进一步确认了所选工艺的合理性。设计热处理制度对∞焊接接头进行热处理,通过分析其微观组织,测试其拉伸性能及显@ 微硬度,来探讨热处理工艺、组织、性能三者之间的关系。

2实验结果与分析

2.1焊接接头焊接工艺的确定

采用如表1所示的焊接工艺进行焊接。焊接后目视观察内外表面质量:其外表面焊接良好、鱼鳞纹◆清晰,焊缝宽度均匀;但其内表面成形不均匀,并存在未焊透的情况。

为了避免产生未焊透缺陷,小幅度增加焊㊣ 接电流再次进行焊接接头制作,其焊接工艺如表2所示。目视观察其内外表面质量:内外焊缝成形均匀稳定、焊缝窄小,不大于4mm;表面可见清晰鱼鳞纹,没有未焊透等情况,质量良好。利用X射□ 线进行检测,未见缺陷。由此可知,工艺B为较理想的焊接工艺。

2.2 焊接√接头显微组织分

析奥氏体不锈钢管凝固时,是以铁素体还是奥氏体为初始析出相,取决于钢的成分。如♂果铬当量▃、镍当量比值高于1812,则凝固初析相为铁素体;如果铬当量、镍当量比值低于1812,则凝固初析相为奥氏体。而实验所用材料为304奥氏体不锈钢管0Cr18Ni9),其铬当量、镍当量比值高于1812,故其凝固初析相▲是铁素体;但在凝固后部分铁素体转变成了奥氏体,使其最终形成的组织是以奥氏体为基体,其间存在铁素体的组织』。因此,304不锈钢管焊缝凝固模式为FA凝固模式。

由工艺B所制备的焊接接头,从微观组织照片中可以看出,其母材的微观组织是由等轴奥氏体晶粒组成;其热影响区的奥氏体晶↙粒未出现长大现象,其晶粒大小与母材晶粒尺寸相当;其焊缝组织由初始铁素体枝晶和枝晶间的奥氏体组成。

从金相图1d可以看出,呈黑色的组织为树枝晶状铁素体,它是在凝固初期形成的,属于含Cr较高▓的区域。在焊缝凝固过程中,树枝晶边◥缘由于铬含量较少,而转变为※奥氏体,从而留下了蠕虫状的铁素体骨架。因此,焊缝微观组织是蠕虫状铁素体分布于奥氏体基体中,且柱状的树枝晶基本上都是垂直↘于熔合线外延生长。

在凝固过程中,焊缝边缘的柱状晶垂直于熔合线速度较块地向焊缝中心发展,这是因为焊缝中心温度很高,母材温度相〓对较低,使得这个方向具有最大的温度梯度,散热最快;而晶粒总是向着容易生长的方向快速生长,因此凝固时形成了粗大的柱状晶。而焊缝中心离母材较远,其周围温度变化不明显,四周温度相对均匀,过冷度小,生长速度慢,在晶粒还没来得及长◢大时就已经凝固了,所以凝固时形成了细小的等轴晶。所以最终焊缝组织分为两部分,焊缝中心为细小组织,焊缝边缘为粗大组织。

2.3焊接↑接头硬度分析

利用维氏硬度计对由工艺B所制备的焊接接头分区域(焊中心区、焊缝边ζ缘区、热影响区、母材)进行维氏硬度测试。焊缝中心区的硬度(213HV1.0)高于焊缝边◆缘区(169HV1.0)、热影响区(161HV1.0)和母材(154HV1.0)区域的硬度。这是因为※焊缝中心是细小的等轴晶,焊缝边缘区为粗大的柱状晶,母材及热影响区为粗大的等轴晶,由于焊缝中心的细晶强化作用,所以焊缝中心的硬度高于其他区域的硬度。另一方面,因为焊▓缝金属中生成铁素体起了强化作用,所以相对于母材和热影响区∏增加了焊缝中心的强度水平

2.4 焊接卐接头力学性能、工艺性能分析

对由工艺B所制备的焊接接头进行室温拉伸强度与延伸率实验。原始管材:抗拉强度Ψ 为619.3MPa,延伸率为66.0%。焊后管材:抗拉强度为604.5MPa,延伸率为34.2%。可以看出:焊接接头拉伸强度高于原始管材,延伸率低一些,因此认为与管材母材强度相当。

利用力学拉伸机,对原始管材及焊接接头进行全闭合压扁,目视观察表面,均未发现裂纹;对二者进行扩口△量30%的实验,也未发现裂纹。由此可以看出,由工艺B所制作的焊接接头,其塑性良好,与原始管材的抗变形能力相当,可满足工艺要求。

2.5热处理制度的确定

焊接接头的强度、塑性满足工艺要求,但其延伸率较低;晶●粒大小不均匀,焊缝中心区为细小的树枝晶,焊缝边缘为粗大的柱状树枝晶,母材╲为粗大的等轴晶;焊接接头组织不均匀,焊缝中存在铁素体,母材全部为奥氏体。为解决这些问题,对焊接接︾头进行热处理,使其组织均匀,从而提高焊接接头的延伸率。

由于焊接前管材固溶热处理的温度为1010℃;且奥氏体不锈钢管加热将近1100℃时,根据保温时间不同,铁素体将部分或者全部溶解。因此,四个热处理工艺分别【设计为:1020-15min1020-30min1020-60min1020-90min,随后水淬到室温,以避免碳化物在缓冷过程◆中再次析出

2.6热处理后一焊接接头的组织、性能分析

1020℃进行热处理时,随着保①温时间的延长,焊缝边缘树枝状铁素体及焊缝中心等轴状铁素体逐渐被破坏,转变为奥※氏体;在保温30min时,原枝晶形态已模糊,保温90min时,已看不到树枝状或等轴状的结构,铁素体以点状形态分布于奥氏体基体中,并可以观察到奥氏体晶界;此时焊缝边▆缘区的组织形态和热影响区、母材已基本一致,焊缝中心区的■组织形态也在向热影响区、母材组卐织状态靠近,如图2所示。

随后进行室温拉伸,并分区域进行维氏硬度测试。测试数据见表3、表4,可以看出:在1020℃对焊接接头进行焊后热处理时,随着保温时间〗的延长,焊接接头的延伸率逐渐提高,焊缝中心硬度逐渐下降。固溶热处理制度为1020-90min时,在抗拉强度较焊后管材降低5%的情况下,延伸率却较焊后管材提高了47%。并且焊缝中★心、焊缝边缘、热影响区及母材的硬度趋于一致。其原因是当保温时间为△90min时,整个焊接接头的组织趋于一致,同时去除了焊后的细晶强化及铁素体第二相强度作用。

3结论

1)采用iArc orbital 1200数字化程控管焊电源+ H3000型密封式全位置管管◎焊,对304不锈钢管18mm x1.5mm)进行焊接接头制作时,采用工艺B可得到较好质量的焊接接头;焊接后管材的强度、硬度力学性能及扩口、压扁工艺性能均可达到工艺要求。

2)对焊接接头进行1020℃固溶热处理,随着保温时间的延长,焊接接头延伸率提高,且组织趋于均匀化,当保温时间为90min时,焊接接头可获得较好的力学性能及较为均匀的组织。