焊后熱處理對(duì)E621T1－K2C熔敷金屬性能和組織的影響

蔣勇，郭棲利

(四川大西洋焊接材料股份有限公司，四川自貢643000)

0 前言

在低合金鋼中，通常采用焊后熱處理加快焊縫及熱影響區(qū)中氫的逸出。在焊接過程中，由于加熱和冷卻的不均勻性，以及構(gòu)件本身產(chǎn)生拘束或外加拘束，焊接工作結(jié)束后，構(gòu)件中總會(huì)產(chǎn)生焊接應(yīng)力。焊接應(yīng)力會(huì)降低焊接接頭區(qū)的實(shí)際承載能力，產(chǎn)生塑性變形，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)導(dǎo)致構(gòu)件的破壞。焊后熱處理是使焊好的工件在高溫狀態(tài)下，通過使其屈服強(qiáng)度下降，達(dá)到松弛焊接應(yīng)力的目的。有些合金鋼材料在焊接以后，其焊接接頭會(huì)出現(xiàn)淬硬組織，使材料的力學(xué)性能變壞。此外，這種淬硬組織在焊接應(yīng)力及氫的作用下，可能導(dǎo)致接頭的破壞。如果經(jīng)過熱處理以后，接頭的金相組織得到改善，提高了焊接接頭的塑性、韌性，從而改善了焊接接頭的綜合力學(xué)性能。但是對(duì)低合金高強(qiáng)鋼而言，當(dāng)焊后熱處理溫度及時(shí)間達(dá)到一定強(qiáng)度后，發(fā)現(xiàn)低溫沖擊韌性下降明顯，反而對(duì)焊縫不利，本試驗(yàn)的目的就是探索焊后熱處理對(duì)低合金高強(qiáng)鋼熔敷金屬低溫沖擊韌性及組織的影響［1－5］。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)?zāi)覆臑?0 mm厚的Q345鋼板，試驗(yàn)用鋼板的化學(xué)成分和力學(xué)性能分別如表1、表2所示。采用直徑為1.2mm的鈦型藥芯焊絲，型號(hào)為 GB/T 17493E621T1－K2C。采用100%CO2作為保護(hù)氣體，焊接電流約為240 A，電壓為29 V，熱輸入為15～19 kJ/cm，焊接速度為21～27 cm/min，道間溫度保持在150℃左右。在試板兩側(cè)的坡口處堆焊3 mm的熔敷金屬，然后進(jìn)行多層多道焊接試驗(yàn)，焊接方式如圖1所示。

焊接完成后，分別設(shè)計(jì)了三種熱處理方案，如表3所示。

表1 試驗(yàn)用鋼板Q345化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

表2 試驗(yàn)用鋼板Q345力學(xué)性能

圖1 多層多道焊焊接方式

表3 試驗(yàn)方案

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 熔敷金屬拉伸性能

經(jīng)過不同熱處理后，試板的熔敷金屬的拉伸性能如表4所示。

如圖2所示，經(jīng)過焊后熱處理，熔敷金屬的抗拉強(qiáng)度由649 MPa下降到529 MPa，斷后伸長率由22%增加到27%。但是，焊后熱處理經(jīng)620℃，1 h和10 h后的拉伸強(qiáng)度和斷后伸長率基本相當(dāng)。

表4 熔敷金屬拉伸性能

圖2 熔敷金屬拉伸性能示意圖

2.2 熔敷金屬?zèng)_擊韌性

熔敷金屬的沖擊韌性如表5所示，焊態(tài)下，熔敷金屬的沖擊韌性相對(duì)較高，當(dāng)對(duì)試板進(jìn)行焊后熱處理，焊后熱處理溫度達(dá)到620℃，隨著熱處理時(shí)間從1 h延長到10 h，熔敷金屬的平均沖擊韌性逐漸降低，由104 J下降到40 J。熔敷金屬?zèng)_擊韌性示意圖如圖3所示。

表5 熔敷金屬－40℃沖擊吸收能量KV2 單位:J

圖3 熔敷金屬?zèng)_擊韌性示意圖

2.3 熔敷金屬斷口分析

為了研究焊后熱處理對(duì)熔敷金屬低溫沖擊韌性的影響，選取了典型斷口對(duì)組織及斷裂形式進(jìn)行分析。

不同焊后熱處理狀態(tài)的的宏觀斷口形貌如圖4所示。由圖4可知，在焊后熱處理為焊態(tài)、620℃ ×1 h、620℃ ×10 h的狀態(tài)下，焊態(tài)斷口試樣纖維區(qū)所占的比例逐漸降低;由圖5可知，在微觀形貌下，焊態(tài)能明顯的發(fā)現(xiàn)韌窩，隨著對(duì)試樣進(jìn)行620℃熱處理時(shí)間的延長，沖擊試驗(yàn)獲得的試樣斷口微觀形貌中韌窩逐漸變少、變淺，并開始出現(xiàn)部分脆性斷裂形貌—河流狀解理花紋，且脆性斷裂形貌所占的比例逐漸升高。

圖4 熔敷金屬斷口宏觀形貌

圖5 熔敷金屬斷口微觀形貌

2.4 熔敷金屬金相組織分析

熔敷金屬試樣經(jīng)研磨、拋光后，用過飽和苦味酸溶液超聲波震蕩腐蝕5 min，在光學(xué)顯微鏡下觀察其組織形貌;另一部分試樣用3%硝酸酒精腐蝕12 s，在掃描電鏡下觀察其微觀組織形態(tài)。

合金元素決定其組織形貌，組織決定其性能，而三個(gè)試樣均由同樣的合金元素組成，進(jìn)而研究焊后熱處理對(duì)組織及性能的影響是非常必要的。

取沖擊斷口起裂源處側(cè)面的組織進(jìn)行分析，不同焊后熱處理狀態(tài)對(duì)應(yīng)的組織如圖6所示。

由圖6可知，熔敷金屬的組織為鐵素體，焊態(tài)下，組織較均勻，晶粒度較小，經(jīng)過620℃ ×1 h和620℃×10 h焊后熱處理后，部分組織變得粗大且不均勻，這也與前面沖擊韌性下降的結(jié)果相吻合。

圖6 熔敷金屬斷口金相組織

3 結(jié)論

(1)對(duì)于E621T1－K2C而言，經(jīng)過620℃ ×1 h及620℃×10 h焊后熱處理后，熔敷金屬的沖擊韌性下降明顯。

(2)焊態(tài)和熱處理狀態(tài)下，熔敷金屬的拉伸性能下降明顯，斷后伸長率有所上升。

(3)通過對(duì)熔敷金屬的斷口進(jìn)行分析，經(jīng)焊后熱處理后，斷口的斷裂形式逐漸由韌性斷裂轉(zhuǎn)向脆性斷裂。

(4)熔敷金屬的組織為鐵素體，焊態(tài)下，組織較均勻，經(jīng)焊后熱處理后，組織變得粗大且不均勻。

［1］ 田志凌，潘川，梁東圖.藥芯焊絲［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，1999.

［2］ 張繼誠，符仁鈺，李麟，等.焊接及焊后熱處理對(duì)TRIP鋼組織和性能的影響［J］.上海金屬，2006，28(2):39－42.

［3］ 王福山，田原，袁超，等.熱處理工藝對(duì)X80熱煨彎管焊縫金屬組織和性能的影響［C］.第十次全國熱處理大會(huì)論文集，天津，2011，339－343.

［4］ 趙麗敏，馬海濤.時(shí)效處理對(duì)AISI304鋼接頭組織和性能的影響［J］.焊接，2012(5):28－31.

［5］ 吳樹雄，尹世科，李春范.金屬焊接材料手冊(cè)［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2008.