一種改善厚板多道焊焊接接頭低溫韌性的方法與流程
2023-06-01 22:04:42
本發明屬於金屬材料領域，是一種改善厚板(30-80mm厚)多道焊焊接接頭低溫韌性的焊後熱處理方法。採用該方法能使焊縫金屬-40℃衝擊功由小於40J提高到70J以上。
背景介紹
在多層多道焊接過程中，焊縫金屬和熱影響區都將經歷多次不同溫度的焊接熱循環，因此，其原始組織將發生不可逆的轉變，引起局部組織不均。金相和TEM觀察發現，鏈狀M/A組元形成於層間重加熱區，且主要沿原始柱狀晶晶界或重加熱形成的粗大奧氏體晶界分布。脆性M/A易成為衝擊實驗過程裂紋的起裂位置，且裂紋會發生沿晶界擴展而導致沿晶斷裂，從而引起焊縫金屬衝擊韌性的惡化。焊縫金屬和熱影響區的組織對焊接接頭力學性能起至關重要的作用。先前許多研究表明，低合金高強鋼焊接接頭衝擊韌性薄弱區會出現在CGHAZ和ICCGHA。因為，在這兩個區域會形成粗大奧氏體晶粒，且高碳的M/A組元也將形成。此外，這種脆性M/A容易沿奧氏體晶界分布而導致裂紋起裂和擴展吸收功大幅降低，嚴重損害接頭低溫韌性。焊縫中，先焊道的局部區域將受到隨後的焊道熱循環影響，使得組織中馬氏體、殘餘奧氏體或者退化珠光體含量增加，而AF含量減少，這種組織的演變將導致焊縫重加熱區低溫韌性降低。為此，需進行熱處理以改善接頭低溫韌性。
傳統回火熱處理(回火溫度500-740℃，回火時間30min)不能有效改善焊縫金屬低溫衝擊韌性。而採用臨界熱處理(淬火+臨界退火+回火或臨界退火+回火)可以顯著提高焊縫金屬低溫韌性和均勻延伸率。主要原因，是臨界熱處理工藝會促進M/A組元的迴轉，並形成了有利於提高韌性的穩定殘餘奧氏體(體積分數約6％)，從而會使得低溫韌性得到提高。因此，採用臨界熱處理工藝來提高韌性是可行的。
技術實現要素：
本發明旨在提出一種改善厚板多道焊焊接接頭低溫韌性的焊後熱處理方法。採用本發明提出的兩種臨界熱處理工藝，厚板經過這兩種熱處理工藝後，焊縫金屬-40℃衝擊功可由小於40J提高到70J以上。本發明採用焊接試板分別為30mm、55mm和80mm、屈服強度500-700MPa級低碳低合金鋼，焊接材料為Mn-Ni-Mo系焊絲，採用多道埋弧焊方法進行填充焊接實驗，焊後採用不同熱處理工藝對焊縫金屬進行熱處理，測定臨界熱處理工藝對焊縫金屬低溫韌性的影響。首先，採用普通的回火熱處理工藝進行熱處理，回火溫度範圍為500-740℃，回火時間為30min，在電阻加熱爐內完成。另外，採用新設計的兩相區熱處理方法對焊縫金屬進行熱處理。所設計的兩相區熱處理工藝如圖1所示。
一種改善厚板多道焊焊接接頭低溫韌性的焊後臨界熱處理方法，對焊縫金屬採用三步或兩步熱處理過程：將焊接接頭奧氏體化後淬火，之後在兩相區進行退火和臨界區回火處理或者不經奧氏體化而直接進行兩相區退火與臨界區回火處理，以促進M/A組元的迴轉及穩定殘餘奧氏體的獲得，兩相區退火溫度高於Ac1溫度20～60℃，臨界區回火溫度為Ac1溫度±20℃。
對於30-80mm厚的厚板，焊接接頭經奧氏體化溫度時：奧氏體化溫度900℃，保溫時間30min；兩相區臨界退火溫度為：680-800℃，保溫時間為10-60min；臨界回火溫度為：600-700℃，保溫時間為10-60min。接頭在奧氏體區(Ac3～1000℃)經過10～60min保溫處理後，進行水淬以消除接頭局部組織和性能不均；將淬火接頭重新加熱至兩相區的低溫區(略高於Ac1溫度20～60℃)，保溫10～60min後空冷或水淬至室溫；最後將接頭置於臨界回火溫度區間(Ac1溫度±20℃)保溫10～60min後空冷至室溫。促進M/A組元的迴轉，並形成有利於提高韌性的穩定殘餘奧氏體。
由此熱處理工藝處理的焊接接頭能促進由多道熱循環形成的M/A組元的迴轉，並形成有利於提高韌性的穩定殘餘奧氏體。在退火階段Mn、Ni再配分，由鐵素體基體向迴轉奧氏體富集，冷卻階段富集到相變形成的貝氏體及M/A中。回火階段，Mn、Ni再一次進行配分(尤其是Mn)，迴轉的M/A向奧氏體進一步富集，使得迴轉奧氏體具有較高的奧氏體穩定元素(Mn、Ni)，在隨後冷卻過程中不發生相變或部分發生相變，使得其中一部分迴轉奧氏體穩定保留到室溫，形成殘餘奧氏體。
本發明的特點在於：巧妙地採用兩相區臨界熱處理工藝設計，提高了厚板多道焊焊接接頭的低溫韌性。通過合理地設計臨界熱處理工藝參數，使得多道焊焊接接頭中的M/A組元得以迴轉，而Mn、Ni元素發生再配分，提高了迴轉奧氏體中的奧氏體穩定元素含量而使得其得以保留至室溫形成穩定的殘餘奧氏體。本發明提出的熱處理工藝簡單，生產成本低，易於大批量生產。
附圖說明
圖1是本發明中對厚板焊接接頭進行熱處理的工藝示意圖。T1＝680-800℃,T2＝600-700℃,t1＝10～60min，t2＝10～60min；T1和T2是等溫溫度，t1、t2是等溫時間。
圖2是實施例1所得到的焊接接頭中焊縫金屬的金相組織。
圖3是實施例1所得到的焊接接頭中焊縫金屬鏈狀組織的TEM像。
圖4是實施例1經步驟2普通回火處理前後的衝擊功測定結果。
圖5是實施例1經步驟2後的焊接接頭在本發明的臨界熱處理工藝條件下-40℃時的衝擊實驗結果。
圖6是實施例1經步驟2後的焊接接頭在本發明的臨界熱處理工藝條件下韌脆轉變溫度示意圖。
圖7是實施例1經步驟2後的焊接接頭在本發明的臨界熱處理工藝條件下的殘餘奧氏體含量。
圖8是實施例1經步驟2後的焊接接頭在本發明的臨界熱處理工藝(Q-IA-T)條件下的SEM組織形貌。
圖9是實施例1經步驟2後的焊接接頭在本發明的臨界熱處理工藝(IA-T)條件下的SEM組織形貌。
具體實施方式
下面將對本發明實施例中的的技術方案進行清楚、完整的描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明中很小的一部分，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。
實施例1
改善厚板多道焊焊接接頭低溫韌性的焊後臨界熱處理方法，製備步驟如下：
步驟1：採用多道埋弧焊方法對55mm厚、屈服強度550MPa級厚板進行填充焊接實驗；
步驟2：將步驟1所得焊接接頭加熱至500-740℃進行普通回火處理，回火時間為30min鍾，之後空冷至室溫；另外，採用新設計的兩相區臨界熱處理方法對步驟1接頭進行熱處理，將其加熱至900℃奧氏體化後水淬或未經此步驟，之後分別加熱至680-800℃兩相區等溫10-60min後空冷，接著再將其加熱至600-700℃等溫10-60min後空冷至室溫，
圖5給出實施例焊縫金屬-40℃普通回火前後衝擊功測試結果，可以看出普通回火處理並不會有效改善焊縫金屬低溫衝擊韌性。
表1 55mm厚板焊接接頭臨界處理前後焊縫金屬力學性能
表1給出焊縫金屬臨界熱處理前後的力學性能。結果顯示，焊態焊縫金屬具有較高的強度，其屈服強度為610MPa，抗拉強度為782MPa，但其塑性和低溫韌性較差。而經過監界退火及回火處理後，低溫衝擊功(-40℃)提高顯著，由39.2J分別提高至97.7J和83.5J，這說明此工藝顯著改善了焊接接頭韌性。同時，發現經本熱處理工藝處理得到的焊縫金屬綜合性能非常優異，抗拉強度仍可達729MPa和766MPa，儘管屈服強度有所降低，但其均勻延伸率、總延伸率具有較大幅度提高，這也說明焊縫金屬塑性得到提高。
實施例2
利用實施例1中IA-T工藝分別對30mm和80mm厚、屈服強度500-700MPa厚板多道焊接接頭進行熱處理，並對焊縫金屬進行熱處理前後性能對比，如表2所示。結果顯示，採用IA-T熱處理工藝後，焊縫金屬均勻延伸、總延伸和低溫韌性均得到顯著提高。其差異主要體現在：30mm厚板接頭經熱處理後強度同樣有所增加，而80mm厚板接頭熱處理後強度變化較小。其原因與鋼板中的合金成分相關。
以上兩個實施例充分說明，本發明的臨界熱處理方法適用於30-80mm厚、屈服強度為500-700MPa的多道埋弧焊焊接接頭。
表2 30mm和80mm厚板焊接接頭臨界處理前後焊縫金屬力學性能