一种不锈钢焊接接头表面强化处理的方法.pdf

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1、(10)申请公布号 CN 103160664 A (43)申请公布日 2013.06.19 CN 103160664 A *CN103160664A* (21)申请号 201310090166.2 (22)申请日 2013.03.20 C21D 7/06(2006.01) (71)申请人 上海理工大学 地址 200093 上海市杨浦区军工路 516 号 (72)发明人 陈爱英 贾彦全 刘颖龙 李翔 潘登 (74)专利代理机构 上海申汇专利代理有限公司 31001 代理人 吴宝根 (54) 发明名称 一种不锈钢焊接接头表面强化处理的方法 (57) 摘要 本发明公开一种不锈钢焊接接头表面强化处 理。

2、的方法， 即利用表面机械研磨技术处理不锈钢 焊接接头， 在不锈钢焊接接头的表面制备出超细 晶， 依据待处理的不锈钢焊件形状和尺寸不同， 采 用不同的方式进行表面强化处理。本发明的一种 不锈钢焊接接头表面强化处理的方法处理后的不 锈钢焊接接头的表面不产生塑性变形， 晶粒细化 和残余压应力有效地改善焊接接头的表面硬度， 强化后表面的维氏硬度提高了 35-110%， 同时焊 接接头表面的粗糙度降低。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 5 页 附图 1 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书5页 附图1页 (10)申请公布号 CN 10。

3、3160664 A CN 103160664 A *CN103160664A* 1/1 页 2 1. 一种不锈钢焊接接头表面强化处理的方法， 其特征在于利用表面机械研磨技术处理 不锈钢焊接接头， 在不锈钢焊接接头的表面制备出超细晶和超细孪晶结构。 2. 如权利要求 1 所述的一种不锈钢焊接接头表面强化处理的方法， 其特征在于所述 的利用表面机械研磨技术处理不锈钢焊接接头， 依据待处理的不锈钢焊件形状和尺寸的不 同， 采用如下方式进行表面强化处理 ： 当待处理的不锈钢焊件尺寸小于 10mm， 直接放入表面纳米化试验机的冲击室内， 与弹 丸一起冲击合金钢盖子， 实现整体强化， 强化处理过程所用的弹。

4、丸直径为 0.3 3mm， 弹丸 密度为 1 8 个 /mm2， 处理温度为 -80 23， 时间 0.5 30min ； 当待处理的不锈钢焊件形状和尺寸为大于 10mm 的板状样品， 放入表面纳米化试验机 的冲击室内， 选择直线步进模式， 调整冲击窗口， 强化处理过程所用的弹丸直径为 0.5 8mm， 弹丸密度为 1 6 个 /mm2， 处理温度 -80 23， 时间 0.5 40min ； 当待处理的不锈钢焊件形状和尺寸为大于 10mm 的管状样品， 放入表面纳米化试验机 的冲击室内， 选择旋转模式， 调整冲击窗口， 强化过程所用的弹丸直径为 0.5 8mm， 弹丸密 度为 1 8 个 /。

5、mm2， 处理温度 -80 23， 时间 0.5 40min。 3. 如权利要求 2 所述的一种不锈钢焊接接头表面强化处理的方法， 其特征在于所述的 弹丸材质为陶瓷、 不锈钢、 硬质合金钢或轴承钢。 4. 如权利要求 3 所述的一种不锈钢焊接接头表面强化处理的方法， 其特征在于所述的 冲击室中的冲击频率 50-20kHz。 5. 如权利要求 4 所所述的一种不锈钢焊接接头表面强化处理的方法， 其特征在于所述 的冲击室中， 弹丸的冲击高度 3-12mm。 权 利 要 求 书 CN 103160664 A 2 1/5 页 3 一种不锈钢焊接接头表面强化处理的方法 技术领域 0001 本发明属于对金。

6、属表面强化处理技术领域， 涉及一种对不锈钢焊接接头强化处理 的方法。 背景技术 0002 奥氏体不锈钢因其具有良好的韧性、 延展性和耐腐蚀性而被广泛的应用于化学、 汽车制造、 核工业。在实际应用中， 不锈钢通常要求焊接。然而， 任何焊接技术都会诱发一 些冶金结构的变化， 如微观偏析、 二次相沉淀、 孔隙、 硬化裂纹和热影响区的晶粒异常生长。 这些变化往往使其机械强度降低、 抗应力腐蚀能力差、 易于腐蚀。例如， 传统的电弧焊往往 造成晶粒粗化， 并且在热影响区沿晶界产生富铬的碳化物， 易于晶间腐蚀断裂， 同时塑性显 著降低。焊缝处质量下降不仅影响了材料的使用寿命， 同时也限制应用领域。但是由于焊。

7、 接区形状复杂， 焊接区域小， 而使常用的强化方法不适用或强化效果不明显。 0003 目前改善焊接接头性能的方法主要有焊后热处理、 局域补强方法、 深冷强化处理 方法和冲击强化处理方法。 0004 对于焊后热处理， 以均匀化焊缝结构， 可恢复一定程度的强度， 小幅度增加 3-5% ； 适用于小型焊件的性能恢复。 0005 对于局域补强方法， 比如， 中国发明专利 CN200620007473.5 公开了一种修补强化 焊接部位的超陶瓷防腐涂层， 能够强化和保护容易腐蚀的焊接部位。但对强度的提高不明 显。 0006 对于深冷强化处理方法， 中国发明专利 CN200910075367.9 和 CN2。

8、01110057835.7 公开了对铝合金和镁合金进行液氮冷却深冷强化处理 4-6h， 可使合金硬度增加 8-12%。 0007 对于冲击强化处理方法， 中国发明专利 CN102127630A 介绍了采用激光冲击强化 X70管线钢焊接接头的处理方法， 有效地增加了管线钢焊接接头抗H2S应力腐蚀和氢致开裂 性能。中国发明专利 CN200910027130.3 公开了一种基于激光冲击波和电磁脉冲的复合冲 击材料表面强化方法及装置， 可防止材料表面产生有害的残余拉应力， 消除焊接应力和提 高抗应力腐蚀。但由于激光冲击波是一个快速且不稳定的热循环过程， 因此在焊缝周围出 现较大的温度梯度， 在获得细化。

9、晶粒和残余压应力的同时， 焊缝接头表面产生塑性变形。 0008 综上所述， 目前所采用的改善不锈钢焊接接头的力学性能的方法均存在力学性 能改善不明显问题， 如焊后热处理使得硬度提高仅为 3-5%， 深冷处理方式使得硬度仅提高 8-12%， 激光冲击强化方法存在焊缝变形等的技术问题。 发明内容 0009 本发明的目的是为了解决上述的技术问题而提供一种不锈钢焊接接头表面强化 处理的方法。 0010 本发明的技术原理 表面机械研磨处理技术是一种非常有效的表面强化技术。通过控制弹丸的能量， 连 说 明 书 CN 103160664 A 3 2/5 页 4 续多方位撞击样品表面而获得超细晶和超细孪晶结构。

10、， 最终使材料的机械性能得到显著改 善， 如更高的硬度和强度， 增强的摩擦磨损性能等。针对不同形状、 大小样品特定区域的性 能要求， 可以通过采用不同的处理方式来实现。 0011 本发明的技术方案 一种不锈钢焊接接头表面强化处理的方法， 即利用表面机械研磨技术处理不锈钢焊接 接头， 在不锈钢焊接接头的表面制备出超细晶和超细孪晶结构， 从而使其具有高的表面硬 度和改善焊接接头区表面粗糙度。 0012 上述的一种不锈钢焊接接头表面强化处理的方法， 具体包括如下步骤 ： （1） 、 将待处理的不锈钢焊件依次用蒸馏水和无水乙醇清洗， 干燥后， 待处理 ； （2） 、 依据待处理的不锈钢焊件形状和尺寸不。

11、同， 采用如下方式进行表面强化处理 ： 待处理的不锈钢焊件尺寸小于 10mm， 直接放入冲击室内， 与弹丸一起冲击合金钢盖子， 即可实现整体强化， 强化处理过程弹丸的冲击高度 3-12mm， 所用的弹丸直径为 0.3 3mm， 弹丸的材质可为陶瓷、 不锈钢、 硬质合金钢或轴承钢等， 弹丸密度为18个/mm2， 处理温度 为 -80 23， 时间 0.5 30min ； 待处理的不锈钢焊件尺寸为大于 10mm 的板状样品， 选择直线步进模式， 调整冲击窗 口， 强化处理过程自动完成， 强化处理过程弹丸的冲击高度 3-12mm， 所用的弹丸直径为 0.5 8mm， 弹丸的材质为陶瓷、 不锈钢、 硬。

12、质合金钢或轴承钢等， 弹丸密度为 1 6 个 /mm2， 处理温度 -80 23， 时间 0.5 40min ； 待处理的不锈钢焊件尺寸为大于 10mm 的管状样品， 选择旋转模式， 调整冲击窗口， 强 化处理过程自动完成， 强化处理过程弹丸的冲击高度 3-12mm， 所用的弹丸直径为 0.5 8mm， 弹丸的材质为陶瓷、 不锈钢、 硬质合金钢或轴承钢等， 弹丸密度为18个/mm2， 处理温 度 -80 23， 时间 0.5 40min。 0013 （3） 、 步骤 （2） 处理完成后， 取样， 用无水乙醇清洗， 烘干即得 表面强化处理的不 锈钢焊接接头。 0014 上述不锈钢焊接接头表面强化。

13、处理后所得的不锈钢焊接接头的表面形成超细晶 和超细孪晶结构。 0015 进一步， 经表面强化后不锈钢钢焊接接头表面不产生塑性变形， 晶粒细化和残余 压应力有效地改善焊接接头的表面硬度， 同时降低焊接表面的粗糙度。 0016 本发明的有益效果 本发明的一种不锈钢焊接接头表面强化处理方法， 由于采用表面机械研磨处理， 处理 过程中表面无温度梯度、 焊接接头不产生塑性变形， 即焊缝不变形。 0017 本发明的一种不锈钢焊接接头表面强化处理方法， 由于采用了表面机械研磨处理 技术细化焊接接头处组织结构， 实现焊缝接头表面制备出超细晶和超细孪晶结构， 与焊后 热处理方法相比， 即不需对不锈钢焊接件进行热。

14、处理， 且强化效果显著， 表面的维氏硬度可 提高 35-110%， 同时经处理后焊接接头处的粗糙度降低， 表面有残余拉应力转变为残余压应 力。 0018 本发明的一种不锈钢焊接接头表面强化处理方法， 工艺简单， 处理时间短， 表明强 化效果明显， 适用于各种尺寸及形状的焊缝表面的强化处理。 说 明 书 CN 103160664 A 4 3/5 页 5 附图说明 0019 图 1a、 实施例 2 所用的 304 不锈钢板表面的光学显微镜图 ； 图 1b、 实施例 2 所用的 304 不锈钢板经表面强化处理后的表面的光学显微镜图 ； 图 1c、 实施例 2 所用的 304 不锈钢板表面强化处理前后。

15、其表面深度的表面维氏硬度分 布情况。 具体实施例 0020 下面通过具体实施例并结合附图对本发明进一步阐述， 但并不限制本发明。 0021 本发明的各实施例采用表面机械研磨处理方法中所用的设备为金属材料表面纳 米化试验机 （四川成都新晶格科技有限公司） 。 0022 实施例 1 一种不锈钢焊接接头表面强化处理的方法， 具体包括如下步骤 ： 将直径为 8mm 的激光焊接 304 不锈钢阀依次用蒸馏水和无水乙醇清洗， 干燥后放入金 属材料表面纳米化试验机的冲击室， 放入弹丸即直径为 0.3mm 的陶瓷球， 弹丸密度为 1 个 / mm2， 调整冲击高度 10mm， 用不锈钢钢板密封后进行表面强化处。

16、理， 表面强化处理过程中控 制室温 23， 频率 20KHz， 时间 0.5min， 表面强化处理实验完成后， 用乙醇清洗表面， 用吹风 机进行烘干， 即得表面经强化处理的 304 不锈钢阀。 0023 上述所得的表面经强化处理的 304 不锈钢阀， 采用透射电子显微镜 （JEM 2010， 日 本 JEOL 电子株式会社） 进行观察， 其焊缝处表面平均晶粒尺寸为 450nm， 表明强化处理后其 表面的晶粒尺寸达到超细尺度。 0024 上述的 304 不锈钢阀表面强化处理前后分别用采用维氏硬度测试仪 （Zwick/ Roell universal hardness testing machin。

17、e， 德国兹韦克） 测定焊缝表面的维氏硬度， 结 果显示， 强化处理前其表面的维氏硬度为 200HV， 表面强化处理后的其表面的维氏硬度可达 290HV， 即经本发明的不锈钢焊接接头表面强化处理的方法进行处理后， 其表面的维氏硬度 提高了 45%。 0025 上述的 304 不锈钢阀表面强化处理前后分别用经激光共聚焦显微镜 （Nikon C1 Plus laser confocal microscopy， 日本 Nikon） 测定表面粗糙度， 样品表面的均方根粗糙 度 Ra， 由未处理前的 9mm 减小到强化处理后的 1.5mm， 由此表明， 采用本发明的不锈钢焊接 接头表面强化处理方法， 使。

18、得焊接接头处的表面的粗糙度明显降低。 0026 上述的 304 不锈钢阀表面强化处理前后分别用经 XRD 仪器 （Bruker D8， 德国 Bruker） 测定焊接接头处的残余应力， 由未处理前的残余拉应力 （100MPa） 变为残余压应力， 数值为 230MPa， 由此表明了表面机械研磨处理使焊缝表面由拉应力转变为压应力。 0027 实施例 2 一种不锈钢焊接接头表面强化处理的方法， 具体包括如下步骤 ： 将长 1m 宽 70mm 的激光焊接的 304 不锈钢板依次用蒸馏水和无水乙醇清洗， 干燥后放 入金属材料表面纳米化试验机的冲击室中的上表面， 调整窗口尺寸为 70mm2mm， 放入弹丸。

19、 即直径为 3mm 不锈钢球， 弹丸密度为 1 个 /mm2， 调整冲击高度 12mm 进行表面强化处理， 表面 强化处理过程控制温度23， 频率20KHz， 直线步进长度68mm， 时间15min， 表面强化处理实 验完成后， 用乙醇清洗表面， 用吹风机进行烘干， 即得表面经强化处理的 304 不锈钢板。 说 明 书 CN 103160664 A 5 4/5 页 6 0028 上述的 304 不锈钢板表面强化处理前后的表面形貌经激光共聚焦显微镜 （Nikon C1 Plus laser confocal microscopy， 日本 Nikon） 进行扫描， 所得的显微形貌图分别见附 图 1。

20、a 和 1b， 图 1a 中可清楚的看见焊缝表面的扇形熔斑形貌。图 1b 表明经冲击强化处理 后， 焊缝的扇形熔斑已经消失， 由此表明了焊接接头的表面粗糙度降低。 具体粗糙度采用激 光共聚焦显微镜 （Nikon C1 Plus laser confocal microscopy， 日本 Nikon） 测定， 表面的 均方根粗糙度Ra由未强化处理前的9mm减小到强化处理后的3mm， 由此表明， 采用本发明的 不锈钢焊接接头表面强化处理方法， 使得焊接接头处的表面的粗糙度明显降低。 0029 上述所得的表面经强化处理的 304 不锈钢板经透射电子显微镜 （JEM 2010， 日本 JEOL 电子株。

21、式会社） 进行观察， 可以看出强化处理后其表面的平均晶粒尺寸为 250nm， 由此 表明了强化处理后其表面的晶粒尺寸达到超细尺寸。 0030 上述的 304 不锈钢板表面强化处理前后分别用维氏硬度测试仪 （Zwick/Roell universal hardness testing machine， 德国兹韦克） 测定， 结果显示强化处理前， 其表面的 维氏硬度为 200HV， 强化处理后表面的维氏硬度可达 345HV， 即经本发明的不锈钢焊接接头 表面强化处理的方法进行处理后， 其表面的维氏硬度提高了 72%， 具体见附图 1c 所示。 0031 实施例 3 一种不锈钢焊接接头表面强化处理的。

22、方法， 具体包括如下步骤 ： 将长为 500mm 宽为 70mm 的激光焊接的 430 不锈钢板用蒸馏水和无水乙醇清洗， 干燥 后放入金属材料表面纳米化试验机中的冲击室的上表面， 调整窗口尺寸为 70mm2mm， 放入 弹丸即直径为 8mm 陶瓷球， 弹丸密度为 4 个 /mm2， 调整冲击高度 12mm， 控制温度 23， 工作 频率50 Hz， 直线步进长度68mm， 时间40min进行处理， 表面处理实验完成后， 用乙醇清洗表 面， 用吹风机进行烘干， 即得表面经强化处理的 304 不锈钢板。 0032 上述所得的表面经强化处理的 304 不锈钢板， 用透射电子显微镜 （JEM 2010。

23、， 日本 JEOL 电子株式会社） 进行观察， 可以看出强化处理后其表面的平均晶粒尺寸为 350nm， 距离 表面 100mm 深处的孪晶尺寸为 200nm， 由此表明了强化处理后其次表面形成了超细尺度的 孪晶结构。 0033 上述的 304 不锈钢板表面强化处理前后分别用维氏硬度测试仪 （Zwick/Roell universal hardness testing machine， 德国兹韦克） 测定， 强化处理前其表面的维氏硬度 为 280HV， 强化处理后其表面的维氏硬度可达 378HV， 即经本发明的不锈钢焊接接头表面强 化处理的方法进行处理后， 其表面的维氏硬度提高了 35%。 00。

24、34 实施例 4 一种不锈钢焊接接头表面强化处理的方法， 具体包括如下步骤 ： 将激光焊接的直径为 20mm 的 304 不锈钢管， 用蒸馏水和无水乙醇清洗， 干燥后放入金 属材料表面纳米化试验机的冲击室中， 两端固定， 选择旋转模式， 放入弹丸即直径为 3mm 轴 承钢球， 弹丸密度为 8 个 /mm2， 调整冲击高度 3mm， 注入液氮冷却至 -80， 控制强化处理的 工作频率20KHz， 转速为10r/min， 处理时间20min,表面处理实验完成后， 用乙醇清洗表面， 用吹风机进行烘干， 即得表面经强化处理的 304 不锈钢管。 0035 上述的 304 不锈钢管经表面强化处理后， 用。

25、透射电子显微镜 （JEM 2010， 日本 JEOL 电子株式会社） 进行观察， 可以看出强化处理后其表面的平均晶粒尺寸为 200nm， 由此表明 了强化处理后其表面形成了超细尺度的孪晶结构。 说 明 书 CN 103160664 A 6 5/5 页 7 0036 上述的 304 不锈钢管表面强化处理前后分别用经维氏硬度测试仪 （Zwick/Roell universal hardness testing machine， 德国兹韦克） 测定， 强化处理前其表面的维氏硬度 为 200HV， 强化处理后其表面的维氏硬度可达 421HV， 即经本发明的不锈钢焊接接头表面强 化处理的方法进行处理后， 其表面的维氏硬度提高了 110%。 0037 综上所述， 本发明的一种不锈钢焊接接头表面强化处理的方法， 能够在不锈钢焊 接接头的表面制备出超细晶和超细孪晶结构， 使得焊接接头处的表面硬度提高35-110%。 同 时， 经处理后焊接接头处的粗糙度降低， 表面有残余拉应力转变为残余压应力。 0038 上述内容仅为本发明构思下的基本说明， 而依据本发明的技术方案所作的任何等 效变换， 均应属于本发明的保护范围。 说 明 书 CN 103160664 A 7 1/1 页 8 图 1a 图 1b 图 1c 说 明 书 附 图 CN 103160664 A 8 。