焊后熱處理工藝對S355J2W鋼焊接接頭組織和力學性能的影響

李季濤，兆文忠，丁成鋼，王文華，梁樹林( .大連交通大學交通運輸工程學院，遼寧大連608; .大連交通大學材料科學與工程學院，遼寧大連608; .中國北車集團長春軌道客車股份有限公司，吉林長春006)*

焊后熱處理工藝對S355J2W鋼焊接接頭組織和力學性能的影響

李季濤1，兆文忠1，丁成鋼2，王文華3，梁樹林3
( 1.大連交通大學交通運輸工程學院，遼寧大連116028; 2.大連交通大學材料科學與工程學院，遼寧大連116028; 3.中國北車集團長春軌道客車股份有限公司，吉林長春130062)*

通過微觀組織分析、硬度試驗、拉伸試驗、彎曲試驗和沖擊試驗，研究了不同退火工藝對S355J2W鋼焊接接頭組織形態和力學性能的影響.結果表明，經焊后熱處理，接頭組織中的貝氏體、珠光體及焊縫面層側板條鐵素體間的M－A組元分解，550℃×3 h的焊后熱處理組織分解較為完全;焊接接頭各部位的硬度均有所下降，較長保溫時間硬度值降低更為明顯;焊接接頭各部位沖擊功均明顯提高，550℃×0.5 h的焊后熱處理對沖擊韌性的改善更為明顯.焊態和焊后熱處理態，拉伸試驗樣本均斷裂在鄰近熱影響區的母材處，彎曲試驗樣本焊縫均呈現了良好的塑性.

耐候鋼;焊后去應力退火;顯微組織;力學性能

0 引言

S355J2W+N鋼( EN10027－1)，屬于正火軋制結構鋼，是我國從歐洲引進的新型低合金高強度耐候鋼，具有強度高，低溫韌性好等特點，在國內軌道車輛工廠高鐵轉向架構架焊接制造方面得到廣泛應用.轉向架是高鐵車輛的關鍵部位，其焊接接頭的性能直接影響著高鐵運營的安全.眾所周知，焊后熱處理可以在一定程度上改善材料的抗疲勞能力和力學性能，但目前從國外引進的高鐵轉向架焊接構架有兩種工藝要求，一種需要在焊后進行退火處理，目的是消除殘余應力、降低接頭硬度、改善力學性能;而另一種則不需要進行退火處理.國內外的學者對此也存在兩種觀點［1］，一些研究人員認為熱處理不總是必要的，焊后熱處理的采用取決于焊接工藝過程、材料和應用條件等因素［2-7］;而另外一些研究人員則認為焊后熱處理可以粗化焊縫和熱影響區的微觀組織，從而顯著的改進焊接接頭的性能［8-12］.

如果高鐵轉向架構架在焊接制造后需要進行退火處理，則工廠不但延長了生產周期，同時由于極其耗能也相應提高了生產成本.此外，即使去應力退火對力學和疲勞性能有益，在不影響高鐵轉向架整體性能的基礎上，如何對退火的工藝參數進行優化以達到低成本高效率的生產也仍然還缺乏理論依據和可靠實驗數據.為此，本文對S35J2 W + N鋼焊接接頭在不同退火工藝下的微觀組織和力學性能進行對比試驗分析，之后將進行不同退火工藝下焊接接頭疲勞特性的理論與試驗研究，從而為工廠實施焊后熱處理工藝提供扎實的理論和實驗數據依據.

本文采用的符號說明如下:焊態( As－Welded) :無退火工藝過程; PWHT－1態:采用工廠現行的焊后熱處理工藝，即( 550±15)℃保溫時間3 h; PWHT－2態:采用改進的焊后熱處理工藝，即( 550±15)℃保溫時間0.5 h.

1 試驗材料及試件制備

1.1試驗材料

母材選用12 mm厚的S355J2W + N鋼板，其化學成分和力學性能參數見表1和表2所示.母材的金相組織特征是鐵素體+珠光體，珠光體為黑色條帶狀沿軋制方向分布.

表1 S355J2W + N鋼的化學成分( EN 10027－1)

表2 S355J2W + N鋼力學性能參數( EN 10027－1)

1.2對接接頭試件焊接工藝

本試驗對接接頭試板采用MAG多層焊焊接工藝，以80% Ar + 20% CO2混合氣體為保護氣體，采用φ1.2 mm規格的NiCu1－IG焊絲.

圖1 對接接頭焊接示意圖

對接試板規格為120 mm×150 mm×12 mm，采用單面焊雙面成形焊接，開V形坡口，坡口角度60°，鈍邊為0.5～1.0 mm，分4層焊接.焊接接頭形式如圖1所示.參照EN1011－2標準和工廠提供的焊接工藝規程制定焊接工藝，焊接工藝參數如表3所示.

表3 焊接工藝參數

1.3對接接頭焊后熱處理

焊接接頭焊后熱處理工藝規范由工廠提供.具體要求如下:①工件裝爐溫度不得大于200℃，從室溫升溫加熱至200℃期間，加熱速度可不進行控制;②升溫加熱到( 550±15)℃期間，加熱速度控制在60～180℃/h之間;③加熱溫度到( 550±15)℃時，保持恒溫至少2 h，最長不超過3 h;④從550℃冷卻至300℃期間，工件隨爐冷卻;⑤當爐內工件溫度降溫低于300℃后，可取出工件進行自然空冷，自然空冷時室溫不低于4℃.去應力退火工藝曲線如圖2所示.

圖2 對接接頭焊后去應力退火工藝曲線

2 試驗設備及實驗方法

( 1)對接接頭金相觀察和組織分析.用BX－50金相顯微鏡觀察焊態、PWHT－1態、PWHT－2態對接接頭的組織形貌，分析其組織特征，金相腐蝕劑用4%的硝酸酒精溶液;

( 2)對接接頭硬度分析.參照ISO 9015－1: 2001“Hardness test on arc welded joints”標準規定，測定焊態、PWHT－1態、PWHT－2態焊接接頭的硬度HV10，測量區域(線)及測量點如圖3所示;

圖3 對接接頭硬度HV10測量點示意

( 3)對接接頭拉伸試驗.參照ISO 4136－2011“鋼熔化焊接頭拉伸試驗”標準規定，在WE－30液壓式萬能試驗機上測定焊態、PWHT－1態、PWHT－2態接頭的抗拉強度;

( 4)對接接頭彎曲試驗.參照ISO5173－2009“焊接接頭彎曲試驗”標準規定，在WE－30液壓式萬能試驗機上進行彎曲試驗，評定焊態、PWHT－1態、PWHT－2態焊縫的塑性;

( 5)對接接頭常溫沖擊試驗.采用JXB－300型沖擊試驗機，參照ISO 9016－2008“焊接接頭沖擊試驗方法”標準規定，進行接頭3種狀態室溫( 18℃)沖擊功的測定，沖擊試樣取焊縫、熔合區、熱影響區和母材4個部位.

3 試驗結果及分析

3.1對接接頭微觀組織分析

焊態焊縫呈較為明顯的柱狀晶形態，組織為先共析鐵素體GBF、針狀鐵素體AF、側板條鐵素體FSP(板條間分布有少量條狀M－A組元)以及少量的粒狀貝氏體BG.如圖4 ( a)所示，FZ為粗大的塊狀鐵素體F、珠光體P和少量的BG，交界處的少量小塊狀鐵素體呈帶狀分布，晶粒較小，這是第四層焊縫與第三層焊縫交界處彼此熱處理作用的結果.如圖4( b)所示，HAZ為鐵素體、珠光體和少量的BG.

圖4 焊態對接接頭面層微觀組織

由圖5( a)可以看出，經550℃×3 h較長的保溫時間( PWHT－1態)，焊接接頭原始組織中的P、BG、M－A會明顯分解，形成F +碳化物，焊縫中的碳化物已開始聚集，且呈長大趨勢.由圖5 ( b)可以看出，經550℃×0.5 h較短的保溫時間( PWHT－2態)，焊縫中方向性M－A組元大部分消失，轉而成為較小的顆粒狀或島狀的M－A組元，P開始分解為F +碳化物.

總體來看，焊態下，熔合區和過熱區的粗晶區組織主要為先共析鐵素體、較多的珠光體和一定量的粒狀貝氏體;經PWHT后，珠光體和粒狀貝氏體分解，碳化物相開始析出;較長時間熱時效( PWHT－1態)的碳化物相析出較多.

圖5 PWHT對接接頭面層微觀組織

3.2對接接頭硬度試驗結果及分析

焊態、PWHT－1態、PWHT－2態對接接頭硬度HV10的測試結果見表4所示.比較焊接接頭各區域的硬度及其分布規律可以發現，接頭硬度峰值在HAZ靠近熔合線部位，平均硬度值較高;焊縫，母材平均硬度值最低;從硬度均值比較分析發現( WM和HAZ)，接頭面層硬度大于底層硬度，這是由于底層焊縫受到后續焊縫特殊熱處理作用的原因.

表4 焊接接頭硬度HV10測試結果

焊后熱處理使對接接頭各部位WM、HAZ和BM硬度值下降.以面層( Layer 4)為例，如圖6所示，可以看出:①PWHT－1態，經550℃×3 h的熱時效，HAZ硬度下降約10%，WM硬度下降約7%，BM硬度下降約9%;②PWHT－2態，經550℃×0.5h的熱時效，HAZ硬度下降約2%，WM硬度下降約6%，BM硬度下降約6%.

由此可知，較短的保溫時間( PWHT－2態) 對HAZ硬度峰值的“消峰”作用較為有限，但可使焊縫、母材的硬度下降.較長的保溫時間( PWHT－1態)，能夠使組織分解、碳化物相析出較為充分，所以硬度值降低較為明顯.

圖6 Layer 4焊接接頭硬度HV10測試結果

3.3對接接頭拉伸試驗結果及分析

對接接頭拉伸試驗結果如圖7所示.斷裂前有較為明顯的塑性變形，其斷裂位置在鄰近焊縫的母材處(圖7 ( a) ) ;與拉伸軸呈45°角，是典型的切斷型斷裂(圖7 ( b) ) ;斷口宏觀形貌有明顯纖維區、放射區和剪切唇，剪切唇表面光滑(圖7 ( c) ).

圖7 拉伸后對接接頭斷裂形貌、方向和斷口宏觀形貌

拉伸試驗結果見表5所示.對接接頭經PWHT后，屈服強度和抗拉強度均有所下降，屈服強度略低于母材標稱值; PWHT－1態和PWHT－2態的屈服強度和抗拉強度差別不大，較長時間的熱時效( PWHT－1態)接頭強度反而略低.

表5 焊接接頭拉伸試驗結果

3.4對接接頭彎曲試驗結果及分析

對接接頭彎曲試驗試樣形貌如圖8所示，試驗結果見表6所示.無論焊態、PWHT－1態還是PWHT－2態，彎曲角度180°時，在彎曲受拉面無裂紋，焊縫均呈現了良好的塑性.

表6 對接接頭彎曲試驗結果

3.5對接接頭沖擊試驗結果及分析

沖擊試驗試樣形貌見圖9所示，試驗結果如表7所示.接頭經PWHT，沖擊韌性普遍提高.與PWHT－1態相比，接頭PWHT－2態的沖擊韌性較好，這可能與高溫回火過程中焊接接頭的組織變化有關，其組織轉變類型及規律還有待做進一步的研究.

圖8 對接接頭彎曲試驗試樣形貌

圖9 對接接頭沖擊試驗試樣形貌

表7 對接接頭沖擊吸收功 Akv/J

4 結論

( 1)在多層焊工藝條件下，焊接接頭的組織是不均勻的:面層組織呈較為粗大的柱狀晶形態，多為鐵素體(先共析鐵素體、針狀鐵素體、側板條鐵素體)和少量粒狀貝氏體組織;底層焊縫為較為細小、均勻的塊狀鐵素體和珠光體組織;熔合區和過熱區組織主要為先共析鐵素體、較多的珠光體和一定量的粒狀貝氏體;

( 2)經焊后熱處理，接頭組織中的貝氏體、珠光體及焊縫面層側板條鐵素體間的M－A組元開始分解.其中，PWHT－1態，組織分解較為完全，析出相(碳化物)較多; PWHT－2態，M－A組元的連續性受到破壞，變為斷續分布;

( 3)經焊后熱處理，焊接接頭WM、HAZ、BM的硬度均有所降低; PWHT－2工藝對消除焊接接頭HAZ硬度峰值的作用沒有PWHT－1明顯;

( 4)焊態、PWHT－1態、PWHT－2態，焊接接頭的靜載拉伸試樣均斷裂在遠離焊縫的母材處，呈典型的切斷特性，為塑性斷裂;

( 5)經焊后熱處理，焊接接頭的抗拉強度有一定程度下降(約7%)，但PWHT－1態和PWHT－2態接頭強度值差別不明顯;

( 6)焊態、PWHT－1態、PWHT－2態焊接接頭塑性良好，其正彎和背彎角度均達到180°，沒有出現任何裂紋;

( 7) HAZ的沖擊功值明顯高于WM的沖擊功值，表明焊接接頭HAZ的沖擊韌性較好;經焊后熱處理，焊接接頭WM、FZ、HAZ的沖擊功均有所提高;與PWHT－1工藝相比，PWHT－2工藝對沖擊韌性的改善作用更為明顯.

［1］BIPIN KUMAR SPIVASTAVA，TEWARI S P，JYOTI PARKASH.A Review on Effect of Preheating and/or Post Weld Heat Treatment ( PWHT) on Mechanical Behaviour of Ferrous Metals［J］.International Journal of Engineering Science and Technology，2010，2( 4) : 625-631.

［2］DEY H C，ALBERT S K，BHADURI A K，et al.Effect of post－weld heat treatment ( PWHT) time and multiple PWHT on mechanical properties of multi-pass TIG weld joints of modified 9Cr-1Mo steel［J］.Weld World，2014，58: 389-395.

［3］朱金陽，許立寧，石云光，等.新型Cr3MoNb管線鋼焊接接頭的力學性能與組織［J］.焊接學報，2014，35 ( 1) : 67-71.

［4］張勵忠，劉博維，張淘，等.S355J2W耐候鋼焊接接頭顯微組織與力學性能［J］.北京交通大學學報，2012，36( 4) : 127-130，134.

［5］王殿祥，任晶波，王曉旭.焊后熱處理溫度和時間對15MnNi鋼力學性能的影響［J］.壓力容器，2012，29 ( 3) : 76-79.

［6］趙勇桃，董俊慧，劉宗昌，等.焊后熱處理對1Cr18Ni9Ti與2Cr13鋼焊接接頭組織和性能的影響［J］.金屬熱處理，2012，37( 7) : 90-93.

［7］張麗紅，陳芙蓉.07MnNiCrMoVDR低溫鋼的焊接及其低溫沖擊韌性分析［J］.焊接學報，2008，29( 6) : 68-72.

［8］董福軍，趙和明，劉小林，等.模擬焊后熱處理工藝對13MnNiMoR鋼板組織和性能的影響［J］.江西冶金，2014，34( 1) : 9-12.

［9］楊德惠，宋全超.S355J2W耐候鋼不同退火工藝下的組織性能研究［J］.熱加工工藝，2013，42( 12) : 235，62.

［10］薄國公，王勇，韓濤，等.焊后熱處理對ASTM4130鋼焊接熱影響區組織與性能的影響［J］.金屬熱處理，2011，36( 2) : 83-87.

［11］辛文彤，馬世寧，李志尊，等.焊后熱處理對手工自蔓延焊接接頭組織性能的影響［J］.焊接學報，2009，30( 6) : 83-86.

［12］王學，常建偉，陳方玉，等.焊后熱處理改善WB36鋼臨界再熱粗晶區韌性分析［J］.焊接學報，2008，29 ( 3) : 9-12.

Effect of Post-Weld Heat Treatment Procedures on Microstructures and Mechanical Properties of S355J2W Steel Welded Joints

LI Jitao1，ZHAO Wenzhong1，DING Chenggang2，WANG Wenhua3，LIANG Shulin3
( 1.School of Traffic＆Transportation Engineering，Dalian Jiaotong University，Dalian 116028，China; 2.School of Materials Science＆Engineering，Dalian Jiaotong University，Dalian 116028，China; 3.CNR Changchun Railway Vehicles Co.，Ltd，Changchun 130062，China)

The influences of PWHT on microstructure and mechanical properties at different procedures are studied with metallographic examination and hardness，tensile，bending and impact tests.The results show that after PWHT，the bainite，pearlite and M-A islands in the ferrite matrix are decomposed，and carbide quantity is increased significantly in 550℃×3 h condition.Hardness across the welded joints after PWHT is decreased，and the hardness value is significantly decreased in 550℃×3 h condition.The impact toughness of the welded joints is increased after PWHT and the toughness of weld is significantly improved in 550℃×0.5 h condition.In as-welded and after PWHT，tension test samples are fractured in the base metal adjacent to the heat-affected zone，and all of the samples pass the 180°bend test.

weather resistance steel; stress relieving post-weld heat treatment; microstructure; mechanical property

A

1673-9590( 2016) 01-0064-06

2015-04-24

李季濤( 1971－)，男，副教授，博士研究生，主要從事機械CAE方面的研究

E-mail: to_lijitao@ djtu.edu.cn.