Page 38 - 理化检验-物理分册2025年第一期

任绪凯，等：柔性砂带磨削Q370R钢焊接接头组织结构与应力状态

接缺陷处形成大量氢分子，产生较大的局部应力，使 25 N，磨削方向 与焊缝呈 45°， 磨削 加工时长 为
接头脆化；③ 焊接接头存在较大的拉应力，在表面 10 s （完全去除焊缝余量，与基板水平度误差为
承压状态下，材料极易发生应力集中并形成微裂纹。 ±0.2 mm）。将焊接磨削态试样命名为WG。
因此，控制焊接淬火组织、减小氢聚集导致的局部应 对部分焊缝完整的接头试样进行热处理，依据
力及焊接残余拉应力是有效预防或消除冷裂倾向的 GB/T 12337—2014 《钢制球形储罐》，工艺为由室
关键难点。 温（27 ℃） 加热至400 ℃， 升温速率为10 ℃/min，再
柔性砂带磨削是一种独立而自成体系的精密加 以1 ℃/min加热至600 ℃，保温60 min，然后冷却至
工技术，在近三四十年内发展迅速。该技术主要应 400 ℃， 冷却速率为0.67 ℃/min，最后空冷至室温。
用柔性砂带与材料表面形成紧密贴合技术，在实现 经热处理后，参照试样W进行切割加工，制备焊接
精密加工的同时，显著改善材料的组织结构及物理 热处理态试样WH。
化学性质，为焊接接头组织特征与状态的有效调控 1.2 测试技术及分析方法
开辟了新的途径 [4-6] 。笔者系统地对比研究了不同处 采用X射线衍射技术检测焊接态、焊接热处理
理状态Q370R钢焊接接头的组织结构特征与应力状 态及焊接磨削态试样表层的组织结构。测试条件为：
态，初步探索了柔性砂带磨削技术在大型球罐焊缝 Cu靶，采集低角度（110）晶面对应的衍射峰，连续
处理方面的应用潜力。 扫描模式，扫描角度为41°~49°， 步距为0.008°，单位

1 试验材料与方法 数据采集时间为0.3 s，狭缝宽度为1 mm，X射线管
电压为40 kV，管电流为40 mA。采用Voigt线形分
1.1 材料及加工处理
析方法 [7-8] 对检测所得衍射峰进行拟合分析，以Si标
试验材料为 16 mm 厚的 Q370R 钢板，该钢
准粉末试样 作为参照，评估设备引起的宽化效应，
[9]
板的化学成分为：C元素质量分数不大于 0.18%，
去除设备宽化效应后，获得衍射积分宽度、高斯线形
Si元素质量分数不大于0.55%，Mn元素质量分数为
分量和洛伦兹线形分量。基于晶畴尺寸诱导洛伦兹
1.20%~1.60%，Cr元素质量分数为0.015%~0.050%，
线形宽化及微观应变诱导高斯线形宽化的假设，分
Ni元素质量分数不大于0.025%，Mo元素质量分数
别依据Scherrer公式和Wilson公式计算接头组织结
不大于0.015%，余量为Fe元素。选用E5515-N1型
构的晶畴大小和微观应变大小。
低氢焊条进行双面焊接，焊缝余高约为4 mm。采用
利用X射线应力测定仪分析不同处理状态焊
电火花线切割方法加工分析测试试样，试样尺寸为
接接头的宏观应力状态。测试条件为：Cr靶，采集
20 mm×20 mm×16 mm （长度×宽度×高度，不
高角度（211）晶面对应的衍射峰，检测平行（x）、垂
含焊缝余高）。为了比对，进一步通过线切割方法去
直 （y）于焊缝两个方向的应力，探测器倾角分别为
除焊缝余量，制备焊接态试样W。
0°、 ±15°、 ±25°和±45°， 摆动角度为±3°，X射线曝
对焊缝完整的线切割接头试样进行机器人砂带
磨削处理，磨削加工装置外观如图 1所示。磨削条 光时间为10 s，椭圆拟合应力计算方法，探测器距离
试样表面75 mm，X射线管电压为30 kV，管电流为
件为：砂轮/砂带转速为10 m/s，磨削法向力控制为
9 mA。利用恒电流仪和饱和NaCl溶液对接头试样
进行剥层处理，电解腐蚀速率为3 μm/s。
2 试验结果与分析

2.1 磨削对接头表层组织结构特征的影响
不同处理状态焊接接头表层（110）的X射线衍
射图谱如图2所示。由图2（a）和 2（b）可知：焊接
态接头（试样W）和焊接热处理态接头（试样WH）
的（110）衍射峰呈现Kα 1 与Kα 2 分离状态，说明组
织结构的晶体完整性良好，晶粒尺寸较大，且热处理
对接头组织的（110）衍射峰无显著影响。对比钢板
厚度方向（不同层深）的衍射峰可知，试样W和试样
图 1 机器人柔性砂带磨削加工处理装置外观 WH具有均匀的组织结构。
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