焊后熱處理對16MND5鋼焊接組織結構與殘余應力的影響

李映嬋，陳東風,*，祖 勇，劉曉龍,*，李眉娟，白若玉，侯宇晗，李玉慶，孫 凱

( 1.中國原子能科學研究院， 北京 102413；2.中國國際工程咨詢有限公司，北京 100048)

16MND5屬于Mn-Ni-Mo低合金高強度鋼，具有較好的淬透性、高溫性能、抗低溫回火脆性及較低的無延性轉變溫度，廣泛應用于核島承壓容器構件[1-4]。焊接是16MND5鋼用于核島構件的連接形式，但焊接會引起組織結構變化，特別是熱源伴隨的殘余應力將引起腐蝕和疲勞問題。焊后熱處理是常用的殘余應力調控工藝，通過在高溫下降低材料的屈服強度來釋放殘余應力[5-6]。因此，準確評估熱處理對16MND5鋼焊接組織結構和殘余應力的調控效果，對優(yōu)化熱處理工藝具有十分重要的意義。

目前，國內外均開展了大量核電構件的焊接殘余應力研究，Luo等[7]利用有限元模擬和中子衍射技術研究了管與管板修復焊接殘余應力的分布，付強等[8]利用有限元模擬計算了反應堆壓力容器內壁環(huán)形鍛件焊接殘余應力，孫興見等[9]綜述了反應堆壓力容器和主管道焊縫殘余應力測試結果。然而，16MND5鋼焊接深部殘余應力以及熱處理對焊接殘余應力的相關測試研究較少。

殘余應力測試方法分有損測試和無損測試，有損測試方法中，輪廓法可獲得垂直于整個截面的殘余應力云圖；無損測試方法中，中子衍射法可獲得深部的三維殘余應力分布[10-12]。將有損測試的輪廓法和無損測試的中子衍射法相結合，有助于殘余應力的準確測試評估。本工作擬利用輪廓法和中子衍射法表征16MND5鋼焊接與熱處理殘余應力的分布，獲得熱處理對16MND5鋼焊接殘余應力的影響。

1 實驗

1.1 樣品制備

16MND5鋼焊接接頭采用焊條電弧焊工藝，焊材為E9018-G。母材與焊材的化學組分和力學性能列于表1，焊接接頭尺寸如圖1所示，其中WS1表示正面焊縫，WS2表示反面清根焊縫。采用17道焊接工藝，焊接工藝參數(shù)列于表2。焊后采取脫氫熱處理，在250～313 ℃下保溫2 h。

表1 焊接接頭母材和焊材的化學成分及力學性能Table 1 Chemical composition and mechanical property of base metal and welding material

圖1 16MND5焊接接頭尺寸(a)與焊接道次(b)Fig.1 Size (a) and welding sequence (b) of 16MND5 welding joint

表2 焊接工藝參數(shù)Table 2 Parameter of welding process

焊后熱處理在燃氣熱處理爐進行，保溫溫度為595～610 ℃，保溫時間為248 min，其中，350 ℃以下升溫速率49 ℃/h，350 ℃以上降溫速率35 ℃/h，出爐溫度312 ℃，之后在靜止空氣中冷卻。

1.2 組織結構測試

焊接接頭經研磨拋光后，用體積分數(shù)為4%的硝酸酒精進行腐蝕，采用SmArtzoom 5型超景深顯微鏡拍攝焊接接頭宏觀照片，在Olympus GX51光學金相顯微鏡下觀察微觀組織，并拍攝母材、焊縫中心以及熱影響區(qū)的顯微組織照片用于分析。利用SEM測試焊縫的組織結構。

1.3 殘余應力測試

1) 輪廓法

采用輪廓法測試垂直于16MND5鋼焊接截面的縱向殘余應力云圖，其基本原理是利用應力釋放與變形的關系，將被測試件沿一平面切割開，對切割面的變形輪廓進行精確測試，然后對測量得到的輪廓數(shù)據(jù)進行擬合，以擬合的結果作為有限元模型的基礎數(shù)據(jù)，通過彈性計算獲得構件內部垂直于切割平面的應力分布[13-15]。

樣品的切割截面如圖1所示，利用MAKINO DUO 43慢走絲線切割機對焊接樣品進行1次成型的連續(xù)切割，加工精度為±2 μm，切割面粗糙度為0.1 μm，銅絲直徑為0.25 mm，切割速度為0.5 mm/min。切割前，采用專用于加工的墊板和夾具將試板夾緊在工作臺上，避免構件位移干擾殘余應力釋放導致的彈性變形和線切割引起的附加加工應力。

兩個切割面的變形輪廓測試采用高精度的HEXAGON三坐標測試儀，測試誤差為2 μm/m，表面高度場的測試網格點密度為0.5 mm×0.5 mm。兩個相對切割面的原始輪廓數(shù)據(jù)做平均化處理，以消除橫向位移和剪切應力的影響。過濾刪除明顯的逸出值，特別是四周近邊緣處的測試點。然后，將這些數(shù)據(jù)利用樣條函數(shù)擬合成光滑面，以消除切割缺陷。經過平均化和平滑處理后，輪廓數(shù)據(jù)作為邊界位移條件導入有限元軟件Abquaus的三維模型。通過對輪廓變形的反向施加，重構切割面上縱向殘余應力的二維云圖分布。模型所有區(qū)域采用的材料彈性模量與泊松比分別為206 MPa和0.3。

2) 中子衍射測試

由于中子具有深穿透性，中子衍射技術是測試工程構件深部三維殘余應力的最佳手段[16-17]，因此，本文采用中子衍射技術表征16MND5的焊接殘余應力。試驗在德國HZB的E3殘余應力譜儀上開展[18]。受中子束流時間限制，本工作僅測試了焊后熱處理態(tài)的深部三維殘余應力分布。

焊接截面上中子衍射測試點分布示于圖2。根據(jù)焊接殘余應力的分布特征，3個主應力方向分別為長向(LD)、橫向(TD)和法向(ND)3個正交方向。選擇焊接截面L1、L2、L3三條線上的測試點用于表征殘余應力，在衍射矢量方向分別平行于3個正交方向時，測試每個點的衍射峰，衍射峰位(2θ)利用最小二乘高斯擬合方法[19]獲得。

圖2 焊接截面測試點分布Fig.2 Measurement point on welding cross section

衍射實驗選擇Fe的(211)布拉格衍射晶面，該晶面的衍射強度最大，且不受晶面應變的影響。E3譜儀配置有彎曲的完美Si(400)單色器，提供的波長為0.147 nm，使Fe(211)衍射晶面的衍射角約為77.8°。圖3為長向應力測試，入射狹縫的水平取樣尺寸設定為2 mm，徑向準直器的取樣尺寸為2 mm，對于橫向和法向測試，入射狹縫的高度設為10 mm，對于長向測試，入射狹縫的高度設為2 mm。

圖3 16MND5焊接樣品的中子衍射測試Fig.3 Neutron diffraction measurement of 16MND5 welding specimen

彈性晶格應變εi(i=LD,TD,ND)采用式(1)計算，再進一步由胡克定律通過彈性應變計算殘余應力σi(式(2))。

εi=(di-d0)/d0

(1)

(2)

其中：di為i方向的晶面間距；d0為無應力晶面間距；E為衍射彈性常數(shù)；ν為泊松比；211為晶面?；贙roner模型使用IsoDEC軟件計算得E211=220 GPa、ν211=0.28[20]。

獲得精確的無應力晶面參數(shù)d0是中子殘余應力實驗的重要環(huán)節(jié)。為解決微結構變化引起的d0變化問題，利用EDM從焊接樣品上切割5 mm薄片進行完整的應力分析?；谄矫鎽僭O，沿厚度方向的應力分量為0(σLD=0)，無應力參數(shù)d0和薄片應力分別采用式(3)～(5)計算。

(3)

(4)

(5)

2 結果與討論

2.1 組織結構

16MND5焊接態(tài)和焊后熱處理態(tài)的母材、熱影響區(qū)和焊縫中心3個區(qū)域的金相組織照片示于圖4。從圖4可看出，焊接接頭成形良好，焊縫內部無氣孔、裂紋及未熔合等缺陷。焊接態(tài)的母材組織主要為貝氏體和少量鐵素體，焊縫中心組織主要是貝氏體和少量自回火馬氏體，熱影響區(qū)的粗晶區(qū)微觀組織為粗大的馬氏體和自回火馬氏體。焊后熱處理態(tài)的母材主要是由貝氏體、鐵素體和馬氏體-殘余奧氏體的島狀組織所構成的復相組織，即粒狀貝氏體，焊縫中心組織主要為回火貝氏體和回火馬氏體，熱影響區(qū)粗晶區(qū)由大量的粗大回火馬氏體組成，熱影響區(qū)細晶區(qū)的微觀組織則為回火索氏體。

圖4 16MND5焊接態(tài)(a～c)和焊后熱處理態(tài)(d～f)的母材、熱影響區(qū)和焊縫中心的金相組織Fig.4 Metallographic structure of base metal, heat affected zone and welding center in 16MND5 welding joint under welding state (a-c) and post weld heat treatment state (d-f)

16MND5焊接態(tài)和焊后熱處理態(tài)焊縫中心SEM組織示于圖5。從圖5可看出，熱處理后的晶粒明顯長大。

圖5 16MND5焊縫中心SEM組織Fig.5 SEM structure of welding center in 16MND5 welding joint

2.2 輪廓法殘余應力

16MND5焊接態(tài)和焊后熱處理態(tài)焊接截面的輪廓法云圖和縱向殘余應力云圖分別示于圖6、7。從圖6可看出，焊接態(tài)的變形范圍約為0.19 mm，焊后熱處理態(tài)的變形范圍約為0.11 mm。從圖7可看出，拉應力分布在焊縫及鄰近區(qū)域，周圍為自平衡的壓應力區(qū)域，其中，焊接態(tài)的最大拉應力為420 MPa，熱處理后的最大拉應力為210 MPa，焊后熱處理使殘余應力峰值下降了50%。

圖6 16MND5焊接態(tài)(a)和焊后熱處理態(tài)(b)的 焊接截面輪廓法云圖 Fig.6 Contour mapping of 16MND5 welding cross section under welding state (a) and post weld heat treatment state (b)

圖7 16MND5焊接態(tài)(a)和焊后熱處理態(tài)(b) 焊接截面的殘余應力云圖 Fig.7 Residual stress mapping of 16MND5 welding cross section under welding state (a) and post weld heat treatment state (b)

2.3 中子衍射法殘余應力

16MND5焊后熱處理態(tài)的殘余應力分布示于圖8。從圖8可知，中子衍射獲得的三維殘余應力分布與輪廓法的縱向殘余應力測試結果在數(shù)值與趨勢上均取得了較好的一致性，進一步驗證了結果的可靠性。兩種測試結果未完全吻合，可能是由于測試在2塊樣品上分別開展，而2塊樣品的焊接工藝不完全重復。

圖8 16MND5焊后熱處理態(tài)的三維殘余應力分布Fig.8 3D residual stress distribution of post weld heat treated 16MND5 specimen

3 結論

1) 利用金相和SEM表征了焊后熱處理對16MND5焊接接頭組織結構的變化，利用輪廓法和中子衍射技術研究了焊后熱處理對焊接殘余應力的消減效果。

2) 焊接態(tài)的組織結構在熱處理后發(fā)生變化，貝氏體和少量鐵素體的母材組織轉變?yōu)榱钬愂象w，貝氏體和少量自回火馬氏體的焊縫中心組織轉變?yōu)榛鼗鹭愂象w和回火馬氏體，熱處理后的焊縫區(qū)晶粒明顯長大；焊接態(tài)熱影響區(qū)的粗晶區(qū)微觀組織為粗大的馬氏體和自回火馬氏體，熱處理后熱影響區(qū)粗晶區(qū)由大量的粗大回火馬氏體組成，熱影響區(qū)細晶區(qū)的微觀組織則為回火索氏體。

3) 輪廓法與中子衍射測試結果取得了較好的一致性，焊后熱處理使焊接態(tài)的殘余應力峰值從約420 MPa降低至約210 MPa。