模擬焊后熱處理溫度對Q345R鋼板焊接接頭的焊接殘余應(yīng)力及力學(xué)性能的影響

李 崗, 齊文寬, 史 偉, 趙錫龍, 俄 馨, 蘇亞寧, 梁小武

(1.蘭州蘭石檢測技術(shù)有限公司, 蘭州 730314;2.甘肅省機(jī)械裝備材料表征與安全評(píng)價(jià)工程實(shí)驗(yàn)室, 蘭州 730314;3.傳感及檢測技術(shù)應(yīng)用研究中心, 蘭州 730314；4.蘭州交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院, 蘭州 730070;5.蘭州蘭石重型裝備股份有限公司, 蘭州 730314)

使用大厚度鋼板制造壓力容器時(shí)，通常采用多道焊接的方式，焊接過程中焊縫金屬經(jīng)歷多次熱循環(huán)，造成焊接件的焊接殘余應(yīng)力很復(fù)雜，在熔合線附近殘余應(yīng)力梯度較大[1]。由于焊接殘余應(yīng)力的存在，焊接件接頭處易產(chǎn)生各種裂紋，其抗應(yīng)力腐蝕能力降低，從而影響焊接件的疲勞性能和服役壽命[2-3]。壓力容器在焊接加工后的焊接殘余應(yīng)力較大，一般采用模擬焊后熱處理消除部分殘余應(yīng)力，但應(yīng)力分布隨之發(fā)生變化，故研究模擬焊后熱處理對壓力容器焊接殘余應(yīng)力的影響顯得尤為重要。

筆者以厚度46 mm的Q345R鋼多道焊接試板為研究對象，分析了熱處理溫度對Q345R鋼板焊接接頭的焊接殘余應(yīng)力及力學(xué)性能的影響。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為Q345R鋼板，其厚度為46 mm，采用埋弧自動(dòng)焊接法進(jìn)行焊接，焊接參數(shù)見表1。將焊接鋼板鋸切為4塊試板，尺寸均為150 mm×250 mm×46 mm，分別編號(hào)為1～4，進(jìn)行模擬焊后熱處理試驗(yàn)，其工藝參數(shù)見表2。

表1 Q345R鋼板的焊接參數(shù)

表2 模擬焊后熱處理試驗(yàn)的工藝參數(shù)

1.2 試驗(yàn)方法

依據(jù)GB/T 31310-2014《金屬材料 殘余應(yīng)力測定 鉆孔應(yīng)變法》標(biāo)準(zhǔn)，按圖1所示的位置進(jìn)行焊接殘余應(yīng)力測試。沿垂直試板焊縫方向取截面尺寸為46 mm×30 mm的全板厚橫向拉伸試樣，依據(jù)GB/T 228.1-2010《金屬材料拉伸試驗(yàn) 第1部分 室溫試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。依據(jù)GB/T 2653-2008《焊接接頭彎曲試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行側(cè)彎試驗(yàn)。依據(jù)GB/T 4340.1-2009《金屬材料維氏硬度試驗(yàn)第1部分:試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行維氏硬度試驗(yàn)。

圖1 焊接殘余應(yīng)力測試位置示意

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 模擬焊后熱處理溫度對試板焊接殘余應(yīng)力的影響

由表3和圖2可見：試板在距熱影響區(qū)2 mm左右處的焊接殘余應(yīng)力最大；隨著距熱影響區(qū)距離越近，焊接殘余應(yīng)力越小，焊縫和熱影響區(qū)的焊接殘余應(yīng)力均超過了母材的焊接殘余應(yīng)力；試板表面殘余應(yīng)力與距熔合線距離的關(guān)系曲線大致呈“M”形。對比不同方向的焊接殘余應(yīng)力可知，試板x方向的焊接殘余應(yīng)力最大為255.9 MPa，y方向的焊接殘余應(yīng)力最大為242.3 MPa，在相同熱處理工藝條件下，試板x方向和y方向的焊接殘余應(yīng)力相差不大。隨著熱處理溫度的升高，試板的焊接殘余應(yīng)力下降，試板經(jīng)620 ℃×2 h模擬熱處理后，其焊接殘余應(yīng)力基本消除。

表3 不同試板經(jīng)模擬焊后熱處理后的焊接殘余應(yīng)力測試結(jié)果

圖2 不同試板經(jīng)模擬焊后熱處理后的焊接殘余應(yīng)力分布

2.2 模擬焊后熱處理溫度對試板力學(xué)性能的影響

2.2.1 拉伸性能和彎曲性能

由圖3可見，拉伸試樣的斷裂位置均位于焊縫中心，隨著模擬熱處理溫度的升高，試樣的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度有所降低，屈服強(qiáng)度下降了31 MPa，抗拉強(qiáng)度下降了25 MPa。側(cè)彎試驗(yàn)后未發(fā)現(xiàn)肉眼可見的裂紋。

圖3 不同試板經(jīng)模擬焊后熱處理后的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度

2.2.2 硬度

表4中T表示試板的厚度。由表4和圖4可見：隨模擬熱處理溫度的升高，試板的硬度逐漸下降；試板熱影響區(qū)的硬度比焊縫、母材的硬度高，其硬度與距焊縫中心距離的關(guān)系曲線大致呈“M”形；試板上表面、下表面的硬度比1/4T，3/4T位置處的硬度高，試板1/4T，3/4T位置處的硬度比1/2T位置處的硬度高。

表4 不同試板經(jīng)模擬焊后熱處理后的維氏硬度測試結(jié)果 HV10

圖4 不同試板經(jīng)模擬焊后熱處理后的硬度分布

3 討論

殘余應(yīng)力測試結(jié)果表明，隨著模擬焊后熱處理溫度的升高，Q345R鋼焊接試板的焊接殘余應(yīng)力逐步降低，經(jīng)620 ℃×2 h模擬焊后熱處理后，試板的焊接殘余應(yīng)力基本消除。在模擬焊后熱處理過程中，試板內(nèi)部產(chǎn)生了一定的塑性變形，降低了溫度應(yīng)力和相變應(yīng)力，當(dāng)熱處理溫度提高到620 ℃時(shí)，溫度應(yīng)力和相變應(yīng)力基本消除。

拉伸及硬度測試結(jié)果表明：隨著模擬焊后熱處理溫度的升高，Q345R鋼焊接試板的抗拉強(qiáng)度有所降低；試板不同厚度處的硬度呈現(xiàn)不同程度的降低，其中熱影響區(qū)的硬度由300 HV10逐步降低到200 HV10，焊縫區(qū)硬度由210 HV10逐步降低到160 HV10，母材區(qū)硬度基本不變。

在模擬焊后熱處理過程中，隨熱處理溫度的提高，試板材料發(fā)生回復(fù)，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)消失造成強(qiáng)度下降。同時(shí)，熱處理會(huì)使試板材料中的析出物聚集、長大，隨熱處理溫度的升高，析出強(qiáng)化效應(yīng)逐漸下降[4]，最終導(dǎo)致焊接殘余應(yīng)力下降，抗拉強(qiáng)度略微降低，硬度逐漸降低。

4 結(jié)論

(1) 隨模擬焊后熱處理溫度由400 ℃提高至620 ℃，Q345R鋼焊接試板的焊接殘余應(yīng)力逐漸減小，經(jīng)620 ℃熱處理后，可基本消除其焊接殘余應(yīng)力。

(2) 隨著模擬焊后熱處理溫度的提高，Q345R鋼焊接試板的抗拉強(qiáng)度有所降低，硬度有不同程度的降低，其中熱影響區(qū)的硬度降低最明顯，焊縫硬度次之，母材硬度基本不變。