基于鐵研試驗(yàn)的耐熱鋼接頭再熱裂紋傾向探討

孫咸

摘要：探討了鐵研試驗(yàn)中涉及的耐熱鋼接頭再熱裂紋傾向。結(jié)果表明，在消除應(yīng)力熱處理后BHW35鋼的鐵研試件中發(fā)現(xiàn)了啟裂于接頭根部應(yīng)力集中處、沿HAZ過熱區(qū)晶界擴(kuò)展的、止裂于焊縫或HAZ細(xì)晶區(qū)的裂紋，其性質(zhì)屬于再熱裂紋。接頭HAZ粗晶區(qū)顯微組織是再熱裂紋產(chǎn)生的必要條件，而接頭中的拘束應(yīng)力和氫以及高溫行為則是產(chǎn)生再熱裂紋的充分條件。生產(chǎn)中常用低應(yīng)力化和低氫化綜合工藝及參數(shù)，以及專用焊接材料等措施，使接頭中的應(yīng)力水平降低，接頭中的氫含量最小化，控制再熱裂紋形成條件，并獲得了較滿意的效果。

關(guān)鍵詞：再熱裂紋;耐熱鋼;鐵研試驗(yàn);拘束應(yīng)力;擴(kuò)散氫

中圖分類號(hào)：TG406 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1001-2303（2020）08-0007-08

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.08.02

0 ? 前言

為了消除焊接殘余應(yīng)力、改善組織、去除擴(kuò)散氫，以及防止結(jié)構(gòu)脆斷及應(yīng)力腐蝕裂紋，對(duì)于某些結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜、技術(shù)要求很高的厚壁壓力容器，如大型電站鍋爐汽包產(chǎn)品，在整個(gè)制造過程中要進(jìn)行多次熱處理，其中包括部組件熱處理、焊接過程中的中間消除應(yīng)力熱處理及整臺(tái)產(chǎn)品的最終熱處理。但是，焊接接頭經(jīng)過消除應(yīng)力熱處理后有可能產(chǎn)生再熱裂紋。接頭再熱裂紋的危害性在于，經(jīng)過無損檢測(cè)已經(jīng)合格的產(chǎn)品，在隨后的熱處理中如果再產(chǎn)生裂紋，生產(chǎn)中往往得不到重視，最終會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品報(bào)廢。國(guó)內(nèi)外對(duì)焊接再熱裂紋的研究非常重視，已經(jīng)取得了不少成果。一些企業(yè)從產(chǎn)品設(shè)計(jì)到制造工藝積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。但是，這并不意味著在所有情況下都能獲得滿意的接頭性能。在一些情況下，比如某大型電站鍋爐汽包，在焊接工作全部結(jié)束，并經(jīng)最終熱處理后，無損檢測(cè)未曾發(fā)現(xiàn)缺陷。但在進(jìn)行650 ℃、保溫10 h的最終熱處理后，在汽包的下降管、人孔加強(qiáng)圈與筒體相連接的焊縫HAZ發(fā)現(xiàn)了大量裂紋，如圖1所示[1]。在大量有關(guān)再熱裂紋研究文獻(xiàn)中，對(duì)于接頭HAZ顯微組織、焊接殘余應(yīng)力、高溫行為三要素引發(fā)再熱裂紋的事實(shí)沒有異議[2-4]。但關(guān)于接頭再熱裂紋形成中氫行為的影響，迄今為止未見報(bào)道。然而在實(shí)際生產(chǎn)中已被用于防止再熱裂紋的一些工藝措施，如工件的預(yù)熱、后熱、低氫型電焊條、控制熱輸入等均已涉及接頭中氫的行為，但從未見有關(guān)文獻(xiàn)“重點(diǎn)”探討其中氫的問題。為了搞清楚再熱裂紋形成過程中氫行為的作用，論文以耐熱鋼鐵研焊接試驗(yàn)為切入點(diǎn)，將試樣中裂紋的形態(tài)特征、影響因素與裂紋的形成條件相聯(lián)系，探討該鋼接頭再熱裂紋的控制原理。該項(xiàng)研究對(duì)揭示再熱裂紋形成過程中氫的行為、推動(dòng)相關(guān)耐熱鋼焊接理論發(fā)展、促進(jìn)配套工藝的創(chuàng)新研發(fā)，以及提升產(chǎn)品質(zhì)量，具有一定的參考價(jià)值和實(shí)用意義。

1 耐熱鋼接頭再熱裂紋形態(tài)性質(zhì)

1.1 耐熱鋼接頭鐵研試驗(yàn)結(jié)果

為了防止熱處理之前焊接試件中產(chǎn)生冷裂紋，首先進(jìn)行BHW35鋼的鐵研試驗(yàn)和平板對(duì)接反面拘束試驗(yàn)，以便確定不產(chǎn)生冷裂紋的工件預(yù)熱溫度。熱處理前BHW35鋼鐵研試樣制備參數(shù)及裂紋率如表1所示[2]。在此基礎(chǔ)上，對(duì)未產(chǎn)生冷裂紋的兩種試件進(jìn)行焊后熱處理并檢測(cè)裂紋發(fā)生情況。BHW35鋼試件焊后熱處理工藝及其裂紋率如表2所示[2]。可以看出，對(duì)于焊后空冷的鐵研試件而言，隨工件預(yù)熱溫度的提高（從165 ℃升到210 ℃），斷面裂紋率明顯下降（從38.8%降到0）;對(duì)于焊后緊急后熱（300～350 ℃后熱70 min）的鐵研試件，斷面裂紋率從38.8%降到10.8%;對(duì)于焊后緩冷的（預(yù)熱165 ℃和210 ℃，焊后石棉保溫）鐵研試件，斷面裂紋率分別降至18%和0;對(duì)于預(yù)熱180 ℃+300～340 ℃后熱45 min，再200 ℃爐中隨爐緩冷的鐵研試件，斷面裂紋率為0;最后是預(yù)熱100 ℃、140 ℃后熱65 h的鐵研試件，斷面裂紋率為0。對(duì)于拘束應(yīng)力較小的平板對(duì)接反面拘束試件而言，在165～180 ℃工件預(yù)熱溫度下，平均斷面裂紋率均為0。BHW35鋼是德國(guó)蒂森鋼廠20世紀(jì)60年代研制成功的貝氏體耐熱鋼，鋼的化學(xué)成分和力學(xué)性能分別如表3、表4所示。BHW35鋼正火+回火處理供貨狀態(tài)的顯微組織為回火索氏體+貝氏體+鐵素體（見圖2）。

1.2 耐熱鋼接頭裂紋形態(tài)性質(zhì)

耐熱鋼接頭裂紋形態(tài)性質(zhì)如表5所示。在鐵研試件切片上，裂紋幾乎全部啟裂于根部應(yīng)力集中區(qū)，即距離熔合線一、兩個(gè)晶粒的粗晶區(qū)（見圖3），沿HAZ過熱區(qū)的原奧氏體晶界，呈樹枝狀擴(kuò)展，嚴(yán)重的時(shí)候整個(gè)晶粒的四周都開裂（見圖3），止裂于焊縫或HAZ細(xì)晶區(qū)（見圖3、圖4）。從裂紋斷口掃描電鏡照片可以看出，呈沿晶斷口形貌，裂紋附近存在細(xì)小氧化物粒子（見圖5），表明該裂紋是在較高溫度下產(chǎn)生的，其性質(zhì)屬于再熱裂紋。

2 耐熱鋼接頭再熱裂紋影響因素

2.1 接頭組織的影響

接頭組織對(duì)再熱裂紋的影響如表6所示。可以看出，接頭中對(duì)再熱裂紋敏感區(qū)域是HAZ粗晶區(qū)，而不是焊縫區(qū)。從再熱裂紋形成機(jī)理看，裂紋的形成主要涉及碳化物形成元素，如Cr、Mo、V、Nb、Ti 等，同時(shí)也涉及B、P、Cu、Sb、 As 、Sn等殘留元素。再熱裂紋敏感指數(shù)PSR反映了碳化物形成元素對(duì)再熱裂紋影響程度的排序?yàn)閂-Nb-Ti-Mo-Cr-Cu。1Cr-0.5Mo鋼的焊后熱處理（PWHT）溫度與再熱裂紋率間的關(guān)系如圖6所示[4]?？梢钥闯?，隨試件焊后熱處理溫度提高，SR傾向增大，600 ℃時(shí)SR傾向最大;母材中添加不同碳化物形成元素時(shí)，SR傾向增大，但增大趨勢(shì)不同。其中，加V后SR傾向最大，Nb其次，Ti再次，不加碳化物形成元素的，SR傾向最小。該影響趨勢(shì)與再熱裂紋敏感指數(shù)PSR公式中所給出的元素排序完全一致。BHW35鋼母材中碳化物形成元素的種類和含量較多（見表3），熱處理過程中在HAZ粗晶區(qū)，晶內(nèi)、晶界碳化物析出致使晶內(nèi)強(qiáng)化，塑性變形集中到晶界，晶界發(fā)生滑移，導(dǎo)致所謂三叉晶界開裂（見圖7[5]）。而J607焊條焊縫金屬中的碳化物形成元素的種類及含量比HAZ少得多，焊縫金屬不是形成再熱裂紋的薄弱環(huán)節(jié)。再熱裂紋敏感指數(shù)PSR判據(jù)存在一定的局限性，沒有考慮高溫蠕變時(shí)，鋼中的B或殘留元素P、Cu、Sb、As、Sn等碳化物或夾雜物向晶界聚集，降低晶界結(jié)合力，使晶界脆化，形成晶界空穴，進(jìn)而導(dǎo)致晶界開裂?？傊?，接頭顯微組織中的HAZ粗晶區(qū)碳化物析出、晶界的滑移及晶界的脆化是再熱裂紋產(chǎn)生的必要條件。影響HAZ組織的主要因素是母材中碳化物形成元素和殘留元素的種類及含量。

2.2 接頭拘束應(yīng)力的影響

鐵研試件中的拘束應(yīng)力分布如圖8所示。根部應(yīng)力集中處正好是接頭的HAZ粗晶區(qū)（見圖3b）。對(duì)鐵研試件進(jìn)行消除應(yīng)力熱處理試驗(yàn)之前，需采用必要工藝措施保證試件無裂紋。鐵研試件在熱處理過程中，裂紋啟裂條件是粗晶區(qū)晶界析出硬化（脆化）和承受高溫作用。隨溫度升高，試件接頭應(yīng)力松弛發(fā)生塑性變形，當(dāng)應(yīng)力集中處的塑性變形量Δlp大于該處產(chǎn)生裂紋的臨界變形能力Δlcr時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致晶界開裂（再熱裂紋）。HAZ粗晶區(qū)是接頭組織的薄弱環(huán)節(jié)，加之單位面積晶界的總長(zhǎng)度變小，在拘束應(yīng)力作用下裂紋極易沿晶界擴(kuò)展（見圖3、圖4）。

試驗(yàn)涉及接頭拘束應(yīng)力的影響因素列于表7?？梢钥闯?，提高工件預(yù)熱溫度，可以降低接頭應(yīng)力，減小拘束度，改善顯微組織，再熱裂紋率為0;對(duì)試件進(jìn)行300～350 ℃后熱，延長(zhǎng)工件冷卻時(shí)間，有利焊縫氫的逸出，適當(dāng)降低了應(yīng)力水平，防止SR裂紋效果顯著;降低試件熱處理溫度（從600 ℃降至540 ℃），使接頭應(yīng)力松弛變形減小，可以避免SR裂紋;延長(zhǎng)試件600 ℃熱處理保溫時(shí)間（從2 h延長(zhǎng)至8 h），使晶界析出物增多，同時(shí)高溫蠕變變形量增大，SR裂紋率反而增大。從試驗(yàn)方法看，BHW35鋼的再熱裂紋敏感指數(shù)PSR<0，理應(yīng)對(duì)再熱裂紋不敏感。然而在鐵研試驗(yàn)條件下，亦存在一定的敏感性（見表2）。這是因?yàn)樵撛囼?yàn)方法中接頭的拘束度過大，與實(shí)際結(jié)構(gòu)相比過于嚴(yán)格所致;而平板對(duì)接反面拘束試驗(yàn)條件則比較接近實(shí)際產(chǎn)品結(jié)構(gòu)。因此，前者試驗(yàn)結(jié)果指導(dǎo)生產(chǎn)偏于安全，后者的評(píng)定結(jié)果及工藝措施亦可放心在生產(chǎn)施工中應(yīng)用?？傊?，接頭的拘束應(yīng)力是產(chǎn)生再熱裂紋的充分條件。接頭拘束應(yīng)力的影響因素涉及焊接中的工藝措施及試驗(yàn)方法等方面。

2.3 接頭中氫行為的影響

接頭中氫行為的影響因素如表8所示?？梢钥闯觯岣吖ぜA(yù)熱溫度后，根部氫的濃度并沒有完全被去除，只是減少了，在隨后的熱處理升溫和保溫過程中，氫的濃度越來越少，所以不會(huì)引發(fā)再熱裂紋。反之，工件預(yù)熱溫度低的，根部粗晶、馬氏體組織，以及氫的聚集仍然存在，在隨后的熱處理升溫和保溫過程中，仍會(huì)引發(fā)再熱裂紋。對(duì)鐵研試件進(jìn)行300～350 ℃后熱，使得根部應(yīng)力集中處氫的聚集明顯減弱，氫脆的危險(xiǎn)被解除。在隨后的熱處理升溫和保溫過程中，氫的濃度越來越少，根部裂紋不會(huì)發(fā)生，防止SR裂紋效果顯著。關(guān)于降低熱處理溫度（從600 ℃降至540 ℃）可以避免SR裂紋。這兩個(gè)試件的預(yù)熱溫度比較接近，即試件中的根部氫的聚集程度接近，降低熱處理溫度可以避免試件的SR裂紋。這是材料自身產(chǎn)生SR裂紋的臨界變形能力Δlcr決定的[7]。降低至540 ℃熱處理溫度后，材料的Δlcr提高了（見圖9），SR裂紋可以避免。關(guān)于延長(zhǎng)鐵研試件600 ℃熱處理保溫時(shí)間（從2 h延長(zhǎng)至8 h）SR裂紋率提高問題。兩個(gè)試件的預(yù)熱溫度接近，即試件中的根部氫含量接近，熱處理保溫時(shí)間長(zhǎng)的，有利于根部氫濃度的減弱，但SR裂紋率反而增高。這可能與材料特性，如產(chǎn)生SR裂紋的臨界變形能力Δlcr有關(guān)。鐵研試驗(yàn)和平板對(duì)接反面拘束兩種試驗(yàn)方法本身已經(jīng)考慮了氫的影響。根據(jù)應(yīng)力誘導(dǎo)氫擴(kuò)散機(jī)理，前者接頭的拘束度大于后者，前者根部氫的聚集程度遠(yuǎn)大于后者。因此，前者的SR裂紋傾向明顯大于后者。綜上，接頭中氫的行為是產(chǎn)生再熱裂紋的充分條件之一。接頭中氫的行為的影響因素涉及焊接工藝措施及試驗(yàn)方法等方面。

3 耐熱鋼接頭再熱裂紋的控制原理

基于斜Y形坡口裂紋試驗(yàn)結(jié)果，耐熱鋼焊接生產(chǎn)中接頭的顯微組織和拘束應(yīng)力是不可避免的，然而焊縫中氫的數(shù)量及分布是可以控制的。根據(jù)再熱裂紋產(chǎn)生要素（過熱區(qū)粗晶組織、拘束應(yīng)力、擴(kuò)散氫以及高溫行為）缺一不可原理，生產(chǎn)中大量應(yīng)用的是表9所示工藝途徑，包括四方面控制：一是焊接材料選用。調(diào)整焊材成分，將消除應(yīng)力熱處理過程中HAZ粗晶區(qū)的塑性變形轉(zhuǎn)移到焊縫金屬中。在熱處理高溫過程中焊縫變形釋放應(yīng)力，使得 HAZ粗晶區(qū)不再是變形薄弱環(huán)節(jié)，從而避免再熱裂紋產(chǎn)生。上海鍋爐廠有限公司采用Mn、Si、Ni、Cu等中溫強(qiáng)化元素調(diào)整配方，研制了一種用于工作溫度低于350 ℃、強(qiáng)度限為600 MPa的、再熱裂紋傾向低的低氫型SG-2專用電焊條，成功應(yīng)用在BHW38鍋爐汽包的40只下降管接頭。按照制造工藝進(jìn)行了650 ℃消除應(yīng)力熱處理，經(jīng)檢測(cè)未發(fā)現(xiàn)再熱裂紋，順利通過水壓試驗(yàn)。汽包在電廠運(yùn)行多年，未發(fā)生事故，生產(chǎn)應(yīng)用效果顯著[8]。二是低應(yīng)力化工藝及參數(shù)選擇。例如采用低熱輸入工藝（小直徑焊條、小規(guī)范、直線運(yùn)條、分段施焊等）、中間消除應(yīng)力熱處理工藝以及提高工件預(yù)熱溫度等。目的是降低或減小接頭焊接殘余應(yīng)力水平，降低HAZ粗晶區(qū)再熱裂紋發(fā)生率。三是低氫化工藝及參數(shù)選擇。包括適當(dāng)提高工件預(yù)熱溫度、焊后立即進(jìn)行后熱處理、采用低氫型焊條，以及采用低氫型工藝方法等。目的是控制接頭中擴(kuò)散氫，消除HAZ粗晶區(qū)由于應(yīng)力集中導(dǎo)致的金屬脆化，避免引發(fā)裂紋。四是適當(dāng)降低消除應(yīng)力熱處理溫度。例如對(duì)于某些壓力容器，采用較低的消除應(yīng)力熱處理溫度如550 ℃，溫度低碳化物析出數(shù)量不多，同時(shí)HAZ粗晶區(qū)蠕變變形也不大，HAZ粗晶區(qū)再熱裂紋不易發(fā)生。

總之，焊接結(jié)構(gòu)的鋼材選定之后，控制耐熱鋼接頭再熱裂紋的主導(dǎo)思想是控制接頭中的應(yīng)力和擴(kuò)散氫：首先是要控制接頭中的應(yīng)力水平。采用工件預(yù)熱、后熱、控制熱輸入、熱處理等工藝及合理的參數(shù)，使接頭中的應(yīng)力水平降低，滿足Δlp≤Δlcr條件，不產(chǎn)生再熱裂紋。第二是控制或減少接頭中的擴(kuò)散氫。采用工件預(yù)熱、后熱、低氫焊接材料及焊接方法等，使接頭中殘留的擴(kuò)散氫數(shù)量最小化，不足以引發(fā)再熱裂紋。生產(chǎn)實(shí)踐證明效果顯著。當(dāng)然在現(xiàn)場(chǎng)施工之前，首要的工作仍然離不開焊接工藝評(píng)定。換言之，工藝人員所選用的“耐熱鋼接頭再熱裂紋的控制工藝”，應(yīng)首先在工藝評(píng)定中實(shí)現(xiàn)。

4 結(jié)論

（1）在對(duì)未產(chǎn)生冷裂紋BHW35鋼的鐵研試件進(jìn)行消除應(yīng)力熱處理后，在試件橫截面發(fā)現(xiàn)了啟裂于根部應(yīng)力集中區(qū)、沿HAZ過熱區(qū)奧氏體晶界呈樹枝狀擴(kuò)展的、止裂于焊縫或HAZ細(xì)晶區(qū)的裂紋，該裂紋具有沿晶斷口特征，性質(zhì)屬于再熱裂紋。

（2）接頭顯微組織中的HAZ粗晶區(qū)碳化物析出、晶界的脆化是再熱裂紋產(chǎn)生的必要條件，而接頭的拘束應(yīng)力和接頭中氫以及高溫行為是產(chǎn)生再熱裂紋的充分條件。

（3）再熱裂紋形成的影響因素包括：母材中碳化物形成元素和殘留元素的種類及含量、焊接工藝措施及試驗(yàn)方法等方面。

（4）生產(chǎn)中常用低應(yīng)力化和低氫化綜合工藝及參數(shù)，以及專用焊接材料等措施，使接頭中的應(yīng)力水平降低，接頭中的氫含量最小化，控制再熱裂紋形成條件，并獲得了較滿意的效果。

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收稿日期：2020-04-03

作者簡(jiǎn)介：孫 咸（1941— ），男，教授，主要從事焊接材料及金屬焊接性方面的研究和教學(xué)工作，對(duì)焊接材料軟件開發(fā)具有豐富經(jīng)驗(yàn);獲國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)1項(xiàng)（2000年），?。ú浚┘?jí)科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)2項(xiàng)，二等獎(jiǎng)3項(xiàng)，1992年獲國(guó)務(wù)院頒發(fā)的政府特殊津貼，已發(fā)表學(xué)術(shù)論文190多篇。E-mail：sunxian99@163.com。