SUMITEN610F-TMC鋼焊接接頭消氫及消應(yīng)熱處理比對分析

陳忠敏

（中國水利水電第十四工程局有限公司，云南昆明650032）

SUMITEN610F-TMC鋼焊接接頭消氫及消應(yīng)熱處理比對分析

陳忠敏

（中國水利水電第十四工程局有限公司，云南昆明650032）

SUMITEN610F-TMC鋼屬低碳高強度鋼，強度等級610 MPa，高強鋼焊接工藝參數(shù)的合理性至關(guān)重要。本文通過在相同焊接方法、焊接條件及焊接參數(shù)下，采取分組焊接工藝評定比對，進行拉伸、沖擊、彎曲、硬度及宏觀金相試驗，分析及評估消氫及消應(yīng)焊后熱處理對SUMITEN610F-TMC鋼的焊接接頭綜合機械性能的影響，為該材料的焊后熱處理選擇提供施工經(jīng)驗與技術(shù)借鑒。

SUMITEN610F-TMC鋼；焊接接頭；消氫及消應(yīng)熱處理；比對分析

1　引言

科卡科多辛克雷（Coca codo Sinclair簡稱CCS）水電站工程共布置2條壓力管道，1管4機，主管進口內(nèi)徑5.2m，支管出口內(nèi)徑2.6m，工程量約為10000t，其中岔管管壁最厚88 mm，肋板最大厚度170 mm。壓力鋼管材料采用日本住友金屬工業(yè)株式會社SUMITEN610鋼，鋼板厚度100 mm以下按TMCP（控溫控軋）狀態(tài)交貨，材料牌號SUMITEN610F-TMC；鋼板厚度100 mm以上按QT（調(diào)質(zhì)）狀態(tài)交貨，材料牌號SUMITEN610Z。該材料含碳量、碳當(dāng)量及裂紋敏感性低，焊接性能好，強度等級610 MPa。

CCS電站主合同約定：該電站所有設(shè)計及施工項目均采用美國技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。SUMITEN610鋼未收集在ASME規(guī)范材料標(biāo)準(zhǔn)中，無法對應(yīng)規(guī)范中的鋼板類別號，焊后熱處理的選擇無技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)可供參考。施工前，業(yè)主及咨詢要求鋼管所有對接焊縫進行600℃×2 h焊后熱處理消應(yīng)（PWHT），中國承建方建議高強鋼不宜做焊后熱處理消應(yīng)［1］，焊后消氫處理可以一定程度減小高強鋼的焊接殘余應(yīng)力［2］，在選取相互匹配的焊材和合適的焊接工藝情況下，進行200℃×2 h的消氫后熱處理，即可獲得合格的焊接接頭。但業(yè)主及咨詢堅持己見，無法說服。

經(jīng)與業(yè)主及咨詢協(xié)商，采取分組焊接試驗比對方法決定是否進行焊后高溫?zé)崽幚恚合嗤附臃椒?、焊接條件及焊接參數(shù)下在試板上施焊，焊后1組進行200℃×2 h的消氫處理，另1組進行600℃×2 h熱處理消應(yīng)，消氫及消應(yīng)處理采用履帶式電加熱塊加熱，焊接試塊加工后在厄瓜多爾基多工業(yè)大學(xué)進行拉伸、沖擊、彎曲、硬度及宏觀金相試驗。

本文依托CCS水電站焊接工藝評定試驗，對SUMITEN610F-TMC鋼焊接試板的焊縫及熱影響區(qū)進行力學(xué)性能試驗比對，分析及評估消氫及消應(yīng)熱處理對焊接接頭綜合性能的影響，為該材料的焊后熱處理選擇提供施工經(jīng)驗與技術(shù)借鑒。

2　焊接工藝評定試驗項目及方法

焊接方法采用焊條電弧焊（SMAW）、氣體保護焊（GMAW）及埋弧焊（SAW）三種方法分別施焊，母材SUMITEN610F-TMC，焊接材料為日鐵住金溶接工業(yè)株式會社焊材：NITTETSU L-62CF（焊條）、NITTETSU Y-204B（埋弧焊絲）、NITTETSU YM-60C（氣保焊絲）。焊接工藝評定試驗項目見下頁表1，評定方法及檢測標(biāo)準(zhǔn)按ASME《鍋爐及壓力容器規(guī)范第Ⅸ卷焊接和釬焊評定》及ASTM E18《金屬材料洛氏硬度的標(biāo)準(zhǔn)試驗方法》執(zhí)行，評定項目為拉伸、彎曲、沖擊、硬度及宏觀金相。

3　試驗對比分析

對接坡口試驗的取樣位置見下頁圖1，試樣加工后進行力學(xué)性能試驗，根據(jù)基多工業(yè)大學(xué)的技術(shù)報告，進行各項試驗對比分析。

表1　焊接工藝評定試驗項目

表2　拉伸試驗數(shù)據(jù)與結(jié)果

圖1　對接坡口焊取樣位置圖

3.1拉伸試驗

拉伸試驗檢測按ASME第Ⅸ卷QW-150執(zhí)行，試驗數(shù)據(jù)及結(jié)果見表2。

除02組的拉伸強度不合格外，其他組號的拉伸試驗均合格。為避免試驗出現(xiàn)偶然因素，對01及02組再次補充取樣進行拉伸試驗對比，01組號拉伸試驗實測值分別為690 MPa、802 MPa；02組號實測值分別為578 MPa、585 MPa，補充試樣的拉伸試驗依然是02組不合格，排除了試驗發(fā)生的偶然因素。

數(shù)據(jù)分析：試驗數(shù)據(jù)說明試樣進行焊后熱處理消應(yīng)后，拉伸強度敏感度高，強度波動大，穩(wěn)定性差。拉伸試驗對比情況見圖2所示。

圖2　拉伸試驗對比示意圖

3.2彎曲試驗

彎曲試驗檢測按ASME第Ⅸ卷QW-160執(zhí)行，試驗結(jié)果為所有試樣的導(dǎo)向彎曲試驗均合格。

試驗分析：焊后熱處理消應(yīng)對試樣彎曲無明顯影響。

3.3沖擊試驗

沖擊試驗檢測按ASME第Ⅸ卷QW-170執(zhí)行，試驗數(shù)據(jù)及結(jié)果見下頁表3及表4。

數(shù)據(jù)分析：在0℃及-20℃時，消氫處理的試樣沖擊韌性均比熱處理消應(yīng)的試樣高，表明熱處理消應(yīng)對試樣的沖擊韌性有顯著的下降，數(shù)據(jù)比對情況見圖3～圖6。

圖4　-20℃韌性試驗（焊縫區(qū)）數(shù)據(jù)對比圖

圖5　 0℃韌性試驗（熱影響區(qū)）數(shù)據(jù)對比圖

圖6　 0℃韌性試驗（焊縫區(qū)）數(shù)據(jù)對比圖

3.4硬度試驗

硬度試驗檢測按ASTM E18《金屬材料洛氏硬度的標(biāo)準(zhǔn)試驗方法》執(zhí)行，分別在母材、熱影響區(qū)、焊縫區(qū)進行硬度測試，每組試樣測試3行13列，根據(jù)測試數(shù)據(jù)繪圖，見圖7～圖10。

圖7　 01與02組的硬度對比圖

圖8　 03與04組的硬度對比圖

圖9　 05與06組的硬度對比圖

圖10　 07與08組的硬度對比圖

數(shù)據(jù)分析：根據(jù)圖7～圖10所示，顯而易見，焊后熱處理消應(yīng)后的試樣硬度有所降低。

3.5宏觀金相檢驗

宏觀金相檢驗按ASME第Ⅸ卷QW-183執(zhí)行，檢驗情況為所有試樣的焊縫與母材基體熔合較好，焊縫區(qū)域未發(fā)現(xiàn)缺陷，其中第10組試樣的焊縫完好，第2組試樣的斷裂位置發(fā)生在基體與焊縫熔合處，其他試樣斷裂位置發(fā)生在基體材料處。

數(shù)據(jù)分析：宏觀金相顯示，所有的完整焊縫試樣中母材與焊接材料熔合良好，在焊縫區(qū)域無任何缺陷存在。但02組拉伸試驗的斷口位置在母材與焊縫之間的熔合處，且低于母材抗拉強度，說明試樣拉伸

表30　℃沖擊試驗數(shù)據(jù)與結(jié)果

表4　-20℃沖擊試驗數(shù)據(jù)與結(jié)果

強度對熱處理消應(yīng)敏感性高且波動較大。

4　結(jié)論

通過焊接工藝對比試驗，結(jié)論如下：

（1）SUMITEN610F-TMC鋼在選取相互匹配的焊材和合適的焊接工藝情況下，進行200℃×2h的消氫處理，即可獲得合格的焊接接頭。

（2）在相同焊接參數(shù)條件下，焊后消氫處理比熱處理消應(yīng)的焊接接頭性能好。實施熱處理消應(yīng)后，焊接接頭性能降低，主要體現(xiàn)為抗拉強度敏感性高且波動較大，沖擊韌性顯著降低。

（3）為保證良好的焊接接頭性能，規(guī)避導(dǎo)致焊接接頭強度不穩(wěn)定及韌性降低的風(fēng)險，SUMITEN610F-TMC鋼焊接后不宜實施焊后熱處理消應(yīng)。

（4）焊接工藝評定（消氫處理狀態(tài)下）試驗各項指標(biāo)均合格；預(yù)焊接工藝規(guī)程通過焊接工藝評定驗證，具備正確性及指導(dǎo)性。

通過焊接對比試驗實踐證實：高強鋼當(dāng)做焊后熱處理消應(yīng)時，溫度控制不好，很容易超過鋼的調(diào)質(zhì)回火溫度或控軋終了溫度，改變其金相組織，從而惡化其性能［1］。最終CCS水電站壓力鋼管焊接只進行200℃×2 h的消氫處理，未進行600℃×2 h的熱處理消應(yīng)，在保證焊接質(zhì)量的前提下，優(yōu)化焊接工藝參數(shù)，有效提高勞動生產(chǎn)率，施工速度得到顯著提高。

［1］GB 50766-2012水電水利工程壓力鋼管制作安裝及驗收規(guī)范［S］.

［2］薛翠翠，李振崗，張建勛.焊后消氫處理工藝對高強鋼焊接殘余應(yīng)力的影響［J］.焊管，2013（10）.

TG40

B

1672-5387（2016）09-0049-05

10.13599/j.cnki.11-5130.2016.09.017

2016-06-03

陳忠敏（1970-），女，高級工程師，從事水工金屬結(jié)構(gòu)制造及安裝工作。