焊后熱處理對(duì)15CrMoR(H)鋼焊條電弧焊焊接頭組織與性能的影響

(1.國(guó)網(wǎng)河南省電力公司 電力科學(xué)研究院，鄭州 450052；2.鄭州機(jī)械研究所有限公司 新型釬焊材料與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，鄭州 450001；3.山東索力得焊材股份有限公司，山東泰安 271600)

0 引言

加氫脫硫進(jìn)料/反應(yīng)產(chǎn)物換熱器在高溫、高壓、高腐蝕性的加氫裂化條件下長(zhǎng)期運(yùn)行，普通低合金鋼已不能滿足使用要求。15CrMoR(H)鋼是以Cr,Mo為基礎(chǔ)合金元素的低合金高強(qiáng)度耐熱鋼，因Cr,Mo是形成貝氏體的主要合金元素，提高了高溫組織的穩(wěn)定性和持久強(qiáng)度，具有抗高溫氧化、脆斷及抗氫能力，因而能夠滿足450～600 ℃高溫、高壓及多種腐蝕介質(zhì)環(huán)境下的壓力容器材料需求[1-6]。

目前，15CrMoR(H)鋼常用焊接方法有焊條電弧焊、埋弧焊和氣體保護(hù)焊等，主焊縫通常采用多道多層焊。一方面，可利用后續(xù)焊道的焊接熱循環(huán)對(duì)母材、相鄰焊道產(chǎn)生焊接熱作用，使再次受熱區(qū)域的原始組織發(fā)生變化，進(jìn)而產(chǎn)生更為復(fù)雜的焊縫及熱影響區(qū)組織，但可能出現(xiàn)新的性能薄弱區(qū)[7-10]；另一方面，當(dāng)焊件或局部焊接返修后無(wú)法進(jìn)行焊后熱處理時(shí)，采用回火焊道技術(shù)，在焊態(tài)下也具備足夠的安全裕度。目前，針對(duì)15CrMoR(H)鋼的多道多層焊，焊接熱影響區(qū)中各分區(qū)的組織性能轉(zhuǎn)變、是否會(huì)出現(xiàn)性能薄弱區(qū)及焊態(tài)力學(xué)性能，尚沒(méi)有文獻(xiàn)參考，仍需進(jìn)一步的研究分析。

本文采用金相法、電鏡掃描、硬度測(cè)試、沖擊試驗(yàn)等測(cè)試手段，分析厚板15CrMoR(H)鋼多道多層焊的焊接接頭熱處理前后母材、焊縫及焊接熱影響區(qū)的組織性能轉(zhuǎn)變，并對(duì)沖擊斷口形貌進(jìn)行分析，對(duì)理解低合金高強(qiáng)鋼多道多層焊機(jī)理和促進(jìn)該技術(shù)的應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)作用。

1 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)采用500 mm×125 mm×28 mm的15CrMoR(H)鋼試板，采用?4.0 mm的R307G焊條多道多層焊施焊，母材及焊條熔敷金屬化學(xué)成分如表1,2所示。試板為雙V形坡口，坡口角度60°±5°，鈍邊2 mm，間隙1 mm，試驗(yàn)主要焊接工藝參數(shù)見(jiàn)表3。焊前進(jìn)行150～170 ℃預(yù)熱，層間溫度為150～180 ℃，焊后立即消氫并進(jìn)行(690±14) ℃×2 h焊后熱處理。

表1 15CrMoR(H)鋼的化學(xué)成分 %

表2 R307G焊條熔敷金屬化學(xué)成分 %

表3 主要的焊接工藝參數(shù)

在焊后熱處理試板上制取沖擊、金相試樣進(jìn)行相應(yīng)的試驗(yàn)，對(duì)焊接接頭進(jìn)行顯微硬度測(cè)試，同時(shí)利用掃描電鏡(SEM)觀察沖擊試樣斷口形貌。

2 結(jié)果與分析

2.1 焊縫成形

圖1 15CrMoR(H)焊接接頭宏觀金相

15CrMoR(H)鋼多道多層焊宏觀金相見(jiàn)圖1。焊縫過(guò)渡光滑，正面和背面均成形美觀，焊縫未發(fā)現(xiàn)裂紋、氣孔、未熔合、夾渣、咬邊等焊接缺陷。

2.2 焊后熱處理前蓋面焊道的微觀組織

在多道多層焊接過(guò)程中，由于最后蓋面焊道未經(jīng)受后續(xù)焊接熱循環(huán)的作用，因此接頭組織接近于常規(guī)單道次焊接的接頭組織。最后焊道不同區(qū)域的微觀組織如圖2所示，其中圖2(a)為金相測(cè)試區(qū)域。

從圖2(a)可以看出，焊接熱影響區(qū)顯微組織狀態(tài)出現(xiàn)明顯差別，晶粒度從熔合線向母材逐漸變小。

(a)金相觀察區(qū)域

(b)母材

(c)粗晶區(qū)

(d)細(xì)晶區(qū)

(e)臨界區(qū)

(f)焊縫圖2 熱處理前最后焊道不同區(qū)域的微觀組織

從圖2(b)可以看出，母材區(qū)的鐵素體呈等軸細(xì)晶粒狀，微粒狀碳化物彌散分布在鐵素體基體上，組織為回火索氏體。

從圖2(c)可以看出，粗晶區(qū)組織出現(xiàn)明顯的粗化，這主要是由于該位置距離焊縫熔合線較近，焊接過(guò)程中被加熱至1 100 ℃～固相線溫度區(qū)間，導(dǎo)致該區(qū)域組織粗化嚴(yán)重。在鐵素體晶粒內(nèi)部，存在位相差較小的條狀鐵素體和間斷分布的滲碳體，呈羽毛狀，為上貝氏體組織；在晶粒內(nèi)部還可以看到較多的馬氏體組織，有一定的淬硬傾向，對(duì)焊接接頭整體的力學(xué)性能帶來(lái)不利影響。

由圖2(d)可以看出，細(xì)晶區(qū)晶粒相對(duì)細(xì)小，與母材晶粒度相差不大，這主要是由于在焊接過(guò)程中，焊接熱循環(huán)將母材組織重新加熱到Ac3～1 100 ℃范圍內(nèi)，晶粒組織重新奧氏體化，并快速冷卻至室溫所致。由于此時(shí)焊接熱循環(huán)峰值溫度較低，加之焊接前的預(yù)熱作用，使細(xì)晶區(qū)部分冷卻速度相對(duì)較慢，因此未出現(xiàn)明顯的淬硬組織。從圖中還可以看出，眾多的小島狀復(fù)相組織雜亂地分布在鐵素體晶粒內(nèi)部或者邊緣的區(qū)域，表現(xiàn)出較為明顯的粒狀貝氏體特征，因此，細(xì)晶區(qū)組織具有相對(duì)較好的強(qiáng)韌性匹配[8-9]。

從圖2(e)中可以看出，臨界區(qū)鐵素體呈等軸細(xì)晶粒狀，由于焊接過(guò)程中焊接熱循環(huán)重新將該區(qū)域加熱至Ac1～Ac3之間，部分重結(jié)晶；顯微組織晶粒內(nèi)部有明顯的析出物，表現(xiàn)出明顯的過(guò)回火特征，晶粒內(nèi)部為過(guò)回火的回火索氏體組織。由于在晶界附近發(fā)生了部分相變重結(jié)晶，因此在原奧氏體晶界附近形成較多的細(xì)小晶粒。

如圖2(f)所示，焊縫組織由先共析鐵素體、塊狀的鐵素體、大量的細(xì)小針狀鐵素體，以及少量的粒狀貝氏體組成，熔池結(jié)晶后所形成的固態(tài)焊縫主要由柱狀或枝狀晶及少量的等軸晶粒組成。

2.3 焊后熱處理前臨界粗晶區(qū)顯微組織

在多道多層焊接過(guò)程中，前一焊道經(jīng)歷了后續(xù)焊道的焊接熱循環(huán)，其原有的焊接熱影響區(qū)組織發(fā)生了變化，這些組織不能等同于單道焊接時(shí)的相應(yīng)組織。相關(guān)文獻(xiàn)表明[13]，對(duì)于低合金高強(qiáng)鋼多道多層焊的焊接熱影響區(qū)，臨界粗晶區(qū)極易出現(xiàn)問(wèn)題，即在前一焊道的粗晶區(qū)組織被后續(xù)焊道再次加熱至Ac1～Ac3溫度范圍的區(qū)域。

15CrMoR(H)鋼多道多層焊接接頭熱處理前臨界粗晶區(qū)組織如圖3所示，可以看出，臨界粗晶區(qū)顯微組織粗大，這是因?yàn)榕R界粗晶區(qū)是在原始粗晶區(qū)組織基礎(chǔ)上形成的，雖然被后次焊道焊接熱循環(huán)重新加熱，但此時(shí)后續(xù)焊接熱循環(huán)峰值溫度處于Ac1～Ac3之間，對(duì)晶粒組織沒(méi)有細(xì)化作用，因此晶粒仍保持粗大。由于粗晶區(qū)組織粗大，當(dāng)該區(qū)域組織被再次加熱至Ac1～Ac3溫度范圍內(nèi)后，合金元素易于在原奧氏體晶界富集，在原奧氏體晶界范圍內(nèi)優(yōu)先形核發(fā)生相變重結(jié)晶，又由于冷卻速度較快，因此在晶界附近出現(xiàn)脆性組織。從圖3(a)中可以看出，在原奧氏體晶界附近析出大量的鏈狀馬氏體隱晶組織，可能導(dǎo)致熱影響區(qū)的性能惡化；從圖3(b)低倍顯微組織分布來(lái)看，在焊接接頭中靠近熔合線部分存在大量的臨界粗晶區(qū)，為焊接接頭的安全使用埋下較大隱患。

(a)臨界粗晶區(qū) 500×

(b)臨界粗晶區(qū) 200×圖3 臨界粗晶區(qū)顯微組織

2.4 焊后熱處理后焊接熱影響區(qū)顯微組織

為考察焊后熱處理對(duì)焊接接頭組織和性能的影響，重點(diǎn)對(duì)多道多層焊焊接熱影響區(qū)的粗晶區(qū)和臨界粗晶區(qū)、焊縫區(qū)進(jìn)行了分析，其顯微組織如圖4所示。

(a)粗晶區(qū)

(b)臨界粗晶區(qū)

(c)焊縫區(qū)圖4 焊后熱處理后粗晶區(qū)和臨界粗晶區(qū)、焊縫區(qū)顯微組織

從圖4(b)可以看出，在臨界粗晶區(qū)的晶粒內(nèi)部碳化物析出較多，位相關(guān)系明顯，表現(xiàn)出明顯的回火狀態(tài)。值得注意的是，此時(shí)晶界附近的鏈狀組織表現(xiàn)出明顯的回火狀態(tài)，為鏈狀的回火索氏體組織(具有優(yōu)異的塑韌性儲(chǔ)備)，表明此時(shí)臨界粗晶區(qū)的性能得到了明顯的提升。

由圖4(c)可以看出，顯微組織有明顯的碳化物析出，顯微組織也表現(xiàn)出明顯的回火狀態(tài)。

2.5 顯微硬度測(cè)試分析

焊后熱處理前后分別對(duì)焊接接頭進(jìn)行顯微硬度HV0.5測(cè)試，每間隔0.5 m橫向打點(diǎn)測(cè)試，其結(jié)果如圖5所示。

圖5 顯微硬度測(cè)試結(jié)果

從圖5可以看出，在焊后熱處理之前，接頭顯微硬度整體較高。在臨界區(qū)由于發(fā)生部分相變重結(jié)晶，顯微硬度相對(duì)于母材開(kāi)始有所升高(至230HV左右)；細(xì)晶區(qū)由于焊接過(guò)程中發(fā)生完全相變重結(jié)晶，顯微硬度繼續(xù)升高至280HV附近；粗晶區(qū)由于組織嚴(yán)重粗化，且顯微組織內(nèi)部存在淬硬組織，導(dǎo)致此區(qū)域峰值硬度達(dá)到320HV附近，說(shuō)明粗晶區(qū)性能顯著惡化；多道多層焊的多重?zé)嵊绊憛^(qū)交叉區(qū)域，前一焊道的焊接熱影響區(qū)從左至右由于經(jīng)受后續(xù)焊道從高到低的不同熱循環(huán)峰值溫度，因此顯微硬度開(kāi)始逐漸下降，至焊縫區(qū)域后顯微硬度值變化逐漸趨于平緩，整個(gè)焊縫區(qū)域顯微硬度值相差不大。熱影響區(qū)顯微硬度值波動(dòng)最大，這主要是由于后續(xù)焊道的焊接熱循環(huán)將原焊接熱影響區(qū)再次加熱，而該區(qū)域又存在較多的臨界粗晶區(qū)組織造成的。

從圖5還可以看出，焊接熱處理后焊接接頭顯微硬度下降幅度較大，尤其焊接熱影響區(qū)區(qū)域全部下降至200HV附近，顯微硬度值波動(dòng)也不再劇烈，這表明焊后熱處理能顯著改善焊接接頭的顯微硬度分布，對(duì)改善焊接接頭的整體力學(xué)性能具有積極作用。

2.6 沖擊韌性測(cè)試及斷口分析

沖擊試樣的取樣參照NB/T 47014—2011《承壓設(shè)備焊接工藝評(píng)定》，試驗(yàn)在室溫下進(jìn)行，其結(jié)果如圖6所示?？梢钥闯觯笐B(tài)下焊接熱影響區(qū)室溫KV2僅130 J左右，熱處理后達(dá)到270 J左右，表明焊后熱處理對(duì)焊接熱影響區(qū)的沖擊韌性有明顯的提高作用，這也與前面論述相吻合；焊縫金屬室溫KV2由焊態(tài)下的130 J左右提高到160 J。

圖7,8分別示出了焊態(tài)和熱處理態(tài)下焊接熱影響區(qū)、焊縫的沖擊試樣斷口形貌。從圖7中可以看出，焊態(tài)下焊接熱影響區(qū)斷口以準(zhǔn)解理為主，這是因?yàn)闊嵊绊憛^(qū)的粗晶區(qū)和臨界粗晶區(qū)組織中脆性相，沖擊吸收能量較低、塑韌性較差，因此斷口形貌呈現(xiàn)出脆性斷裂的特征。焊態(tài)下，焊接熱影響區(qū)的沖擊吸收能量數(shù)值雖滿足相關(guān)制造要求，但脆性斷口形貌表明焊接熱影響區(qū)存在韌性儲(chǔ)備不足的缺點(diǎn)。經(jīng)焊后熱處理，沖擊試樣斷口形貌已完全轉(zhuǎn)變?yōu)轫g窩狀，為典型的韌性斷裂，表明焊后熱處理明顯改善了焊接熱影響區(qū)的脆性組織。

圖6 沖擊吸收能量測(cè)試結(jié)果

(a)熱影響區(qū)

(b)焊縫圖7 焊態(tài)下焊接熱影響區(qū)和焊縫沖擊試樣擴(kuò)展區(qū)斷口形貌

(a)熱影響區(qū)

(b)焊縫圖8 熱處理后焊接熱影響區(qū)和焊縫沖擊試樣擴(kuò)展區(qū)斷口形貌

熱處理前后焊縫斷口形貌均呈韌窩狀，為典型的韌性斷裂。結(jié)合焊縫組織可以看出，焊態(tài)和熱處理態(tài)焊縫組織無(wú)明顯差異，均是以針狀鐵素體為主的組織，針狀鐵素體具有良好的塑韌性儲(chǔ)備。在多道多層焊中，焊縫組織由于經(jīng)受多次的焊接重熔、焊接熱循環(huán)影響，焊縫中元素分布相對(duì)均勻，后經(jīng)焊后熱處理，部分碳化物再次析出長(zhǎng)大，焊態(tài)下的應(yīng)力也得到了釋放，因此沖擊韌性得到了一定的提高，從沖擊斷口形貌也可以看出熱處理態(tài)沖擊斷口由更為細(xì)小的、尺寸較深的韌窩組成，表明焊后熱處理對(duì)于焊縫的塑韌性提升具有一定的積極作用，但是不如焊接熱影響區(qū)明顯。

綜上所述，焊后熱處理對(duì)于焊接接頭整體性能的提升，更多的是表現(xiàn)在焊接熱影響區(qū)位置，因此，在實(shí)際產(chǎn)品焊接過(guò)程中應(yīng)給予焊接熱影響區(qū)足夠的重視，才能保證后期設(shè)備安全穩(wěn)定地運(yùn)行。

3 結(jié)論

(1)焊態(tài)下粗晶區(qū)為上貝氏體+馬氏體組織，臨界粗晶區(qū)在原奧氏體晶界生成鏈狀脆性組織，導(dǎo)致焊接熱影響區(qū)局部硬度偏高，塑韌性較差。焊后熱處理下粗晶區(qū)組織為回火貝氏體+回火索氏體組織，臨界粗晶區(qū)為回火索氏體組織，使焊接接頭的硬度降低，塑韌性得到提升。

(2)焊后熱處理可顯著降低焊接接頭顯微硬度，同時(shí)明顯改善焊態(tài)下焊接接頭的硬度分布不均勻性。

(3)焊后熱處理明顯地提升了焊接熱影響區(qū)的沖擊吸收能量，斷口形貌由焊態(tài)的準(zhǔn)解理向韌窩狀轉(zhuǎn)變。

(4)焊接接頭中性能薄弱的區(qū)域主要為焊接熱影響區(qū)，因此在實(shí)際產(chǎn)品焊接過(guò)程中應(yīng)給予焊接熱影響區(qū)足夠的重視，焊后熱處理的作用主要是對(duì)焊接熱影響區(qū)進(jìn)行組織和性能恢復(fù)。