高频焊管热处理工艺的研究
摘 要 研究了高频焊管连续退火的工艺,通过实验指出了退火温度及退火冷却速度对焊管性能的影响,并对生产过程中的一些问题进行了分析。
1 前 言
随着国民经济的发展,高频焊管的用途越来越广泛。与无缝管相比较,焊管生产具有以下优点:设备重量轻,建设投资少,成本低;而且生产的机械化和自动化程度高,可进行连续生产,因此高频焊管在钢管工业中占有重大的比例。
为了提高焊管的质量,改善其使用性能和工艺性能,在高频焊管生产的过程中,一般有相应的焊后热处理工序。对于一些重要用途的焊管,必须同时具有良好的强度和塑性;而且用途不同,其性能要求也不一致,所以热处理是焊管生产过程中一个重要的环节。为了给实际生产中制订工艺提供依据,详细地研究了热处理工艺对高频焊管性能的影响。
2 试验方法
试验材料为宝钢生产的ST14冷轧带钢,化学成分如表1所示。0.7mm厚的带钢通过高频焊接制成8mm的钢管。
第一批热处理实验在生产用的连续退火炉中进行。连续退火炉的电机转速为800r/min;调节电压参数使实验温度在所需的范围内,温度由红外线测温仪测出。第二批热处理实验在实验用的气体保护炉中进行,模拟生产使用连续退火。其具体热处理工艺如表2所示。
试验试样取长度为300mm的整段钢管,处理完后的试样在50kN液压万能试验机上进行抻拉试验,测出其机械性能。同时,在光学显微镜下对试样进行金相观察。
3 结果与分析
3.1 退火温度对性能的影响
该实验是在连续退火炉中进行的,实验结果如图1所示。可以看出:当退火温度较低时,试样的强度较高,但塑性较差。随着退火温度的升高,抗拉强度逐渐下降,延伸率不断提高,这主要是焊管中应力和硬化在退火过程中逐渐被消除的结果。但是退火温度超过800℃以后,不仅强度继续下降,而且延伸率也开始降低。.
我们知道,焊管在成型和焊接的过程中,会导致加工硬化和焊接应力。如果退火温度较低,应力和硬化得不到充分消除,所以退火后的焊管强度较高但塑性较差。随着退火温度的升高,应力和硬化逐渐消除,从而使焊管强度降低,塑性提高。但是为什么当退火温度超过800℃时塑性开始下降呢?从铁碳相图中我们知道,在这个温度范围内,该材料处于铁素体和奥氏体两相区,原始组织部分转变成奥氏体,但还有部分铁素体并未发生转变。通过计算可以知道,在焊管成型时,材料发生了10%左右的冷变形;由于冷变形程度不大,材料在退火时很少有再结晶发生[1]。这些未转变的铁素体在退火过程中要长大,而且温度越高晶粒越粗,退火冷却后这些粗大的铁素体晶粒依然保留下来。另一方面,加热到高温形成的奥氏体,冷却后形成细小铁素体晶粒,从而又造成晶粒尺寸的不均匀(如图2所示),从而使强度和塑性均下降。
图1中我们还可以看到,当退火温度为920℃时,焊管同时具有较好的强度和塑性。由于焊接的过程中,不仅在焊缝形成少量马氏体等非平衡焊缝组织,而且使热影响区的晶粒粗大[2],这些均对性能有不利的影响。只有加热到Ac3以上的温度,使组织全部奥氏体化,才能消除这些影响,使焊缝与母材的组织趋于一致,即得到细小的组织(如图3所示),从而改善焊管的机械性能。
2 冷却速度对性能的影响
为了模拟连续退火的情况,试样在920℃加热2min后,以不同速度冷却,其机械性能如图4所示。正如前面所提到的,在920℃加热时,焊管的母材金属和焊缝金属均要发生奥氏体化,冷却时奥氏体再转变成新的组织。冷却速度不同,形成的组织会不同性能也就不一样。
在随炉冷却的情况下,冷却速度很慢,形成了大量的铁素体和少量珠光体。随着冷却速度的增加,强度有很大的提高。8#、9#和11#试样分别采用了空冷、风冷和喷淋冷却,冷却速度依次增加,强度相应地提高,但它们的延伸率却依次下降。这主要是由于在快冷的过程中,会形成少量贝氏体或马氏体,而且还会产生热应力;冷却速度越快,贝氏体或马氏体的量就越多,并且热应力也越大,所以导致强度提高,塑性下降。
而10#试样在高温阶段快冷(风冷),650℃后在保护气氛中冷却,这样可以形成细小的铁素体和珠光体,从而使焊管得到较高的强度和较好的塑性。
4 生产中应注意的问题
从以上的研究结果来看,如果用户要求焊管具有较好的塑性,而对强度没有过高要求时,我们可以采用700～800℃之间的温度进行连续退火,在这种情况下,温度范围较宽,生产过程中容易控制。 如果用户要求焊管同时具有较高的强度和较好的塑性,那么在700～800℃之间退火是达不到要求的。因为在高频焊接过程中,由于趋肤效应、临近效应和热传导的共同作用,造成了焊接热循环峰值温度在管坯开口边缘的梯度分布,出现了熔化区、部分熔化区及过热组织区等特征区域[3]。因此焊缝周围的非平衡组织及粗大组织对焊管的性能产生了不利的影响;要消除这些影响就必须将热处理温度提高到Ac3以上。但是温度又不宜过高,否则也会使性能恶化。这就要求在实际生产过程中严格地控制退火温度,使退火温度保证在920℃左右。而一般的连续退火炉中不能直接显示加热温度,而是通过电压参数来控制温度,因此如何准确地控制温度是实际生产过程中的一个关键。另一方面,在冷却的开始阶段要求快冷,这就要求循环水有足够的冷却能力,以保证热处理后得到均匀细化的组织,从而保证产品的质量。
5 结 论
材料为ST14的高频焊管可以在连续退火炉中退火。如果要求焊管具有较好的塑性、一般的强度时,可以采用700～800℃之间的温度。但要求焊管同时具有较高的强度和较好的塑性时,建议采用920℃的温度,并使冷却水槽的水温较低,以保证一定的冷却速度。