焊后熱處理對ASTM A516M Grade485鋼GMAW焊接接頭硬度的影響

何富銀

（成都天保重型裝備股份有限公司，四川成都610300）

焊后熱處理對ASTM A516M Grade485鋼GMAW焊接接頭硬度的影響

何富銀

（成都天保重型裝備股份有限公司，四川成都610300）

針對Muskrat Falls項目鏡板零件焊接接頭硬度的特殊要求，采用模擬產品的焊接熱處理工藝試件進行焊接和熱處理工藝試驗，經焊后無損檢測、熱處理、理化試驗、金相宏觀、微觀檢驗和硬度測試，證明ASTM A516M Grade485鋼材采用熔化極混合氣體保護焊工藝，焊后采用合理的熱處理工藝方法，既能消除焊接殘余應力，穩定焊件尺寸，又能保證焊接接頭力學性能滿足焊接工藝評定的要求，保證焊接接頭（包括焊縫金屬、熱影響區和母材金屬）上任意兩點間的維氏硬度差不大于20 HV10的技術要求。經試驗驗證，選擇合理的焊接工藝參數和熱處理方法，能夠保證焊接接頭的性能滿足設計圖樣的技術要求。

焊后熱處理；ASTM A516M Grade485鋼；GMAW；焊接接頭；硬度

0　前言

鏡板是成都天保重型裝備股份公司承接的Muskrat Falls項目中水輪發電機上的重要零件，每個鏡板零件由4個板厚140 mm的1/4環板（外環直徑φ3735 mm，內環直徑φ2 535 mm）拼焊而成，材料牌號為ASTM A516M Grade485鋼板。焊接應符合ANDRITZ公司EI226QE02542標準的要求，鏡板表面缺陷按ANDRITZ公司EI6400-0006標準驗收。為降低成本、提高效率、減小焊件變形，其拼焊接頭采用優質高效的熔化極氣體保護焊（GMAW）焊接；為減少飛濺、減少合金元素燒損、提高焊縫質量、改善焊縫成形等，保護氣體采用φ（Ar）80％Ar+φ（CO2）20％混合氣體；為消除焊接殘余應力，改善焊接接頭的組織和性能，需進行焊后熱處理。

焊接工藝評定按ASME-Ⅸ卷標準進行，焊接工藝評定、熱處理和性能測試過程由勞氏工業技術服務（上海）有限公司（Lloyd’s Register Industrial Technical Services（Shanghai）Co.，Ltd.）見證。焊后按ASME標準進行100％VT+100％UT檢測，合格后進行焊后熱處理；然后對焊接接頭表面進行維氏硬度測試，符合設計圖樣規定后；再將焊件精加工并拋光至設計圖樣規定的尺寸精度，機械加工量距離焊件母材原始表面約12 mm，如圖1所示。精加工后，按圖1所示部位（距離焊件母材原始表面約12 mm的同一直線上）對每個焊接接頭（包括焊縫金屬、熱影響區和母材金屬）進行維氏硬度測試。要求鏡板精加工后的焊接接頭上各區域的硬度均勻，測試區域包括每個焊接接頭的焊縫金屬、兩側熱影響區（HAZ）和兩側不小于6mm范圍內的母材金屬，設計圖樣要求鏡板機械加工后的表面上任意兩測試點的維氏硬度差不超過20 HV10。

圖1　熱處理并精加工后硬度測試部位

采用模擬鏡板質量技術要求的焊接熱處理工藝試件，依據模擬件的硬度、金相和力學性能測試結果，探討焊后熱處理工藝對ASTM A516M Grade485鋼熔化極氣體保護焊焊接接頭維氏硬度的影響，重點分析焊接接頭中維氏硬度分布規律，證明在焊態（不進行焊后熱處理）條件下焊接接頭維氏硬度達不到“任意兩點間的硬度差≤20 HV10”的技術要求。通過焊后熱處理可以明顯減小焊接接頭任意兩點的硬度差，當采用合理的熱處理方法和工藝參數時，既能消除焊件殘余應力、穩定焊件尺寸、保證焊接接頭各區域（包括焊縫金屬、熱影響區和母材金屬）任意兩點間的維氏硬度差值不超過20HV10，又能保證焊接接頭的力學性能滿足焊接工藝評定的要求。

1　焊接工藝

1.1焊接接頭性能要求

鏡板的焊接工藝評定按ASME-Ⅸ卷標準進行，拉伸、彎曲性能和沖擊韌性評定結果符合ASME-Ⅸ標準規定，并且必須保證焊接接頭上任意兩點間的維氏硬度差值不超過20 HV10的附加技術要求。評定和試驗過程需要有國際資質的第三方技術機構見證，第三方技術機構為Lloyd’s Register Industrial Technical Services（Shanghai）Co.，Ltd.。

1.2母材焊接性

鏡板材料選用美國ASTM A516M Grade485鋼，鋼材的供貨狀態為正火狀態。該鋼材標準規定的化學成分：w（C）=0.27％～0.31％，w（Mn）=0.85％～1.20％，w（Si）=0.15％～0.40％，w（P）≤0.035％，w（S）≤0.035％。拉伸性能為：抗拉強度Rm=485～620 MPa，屈服強度ReL≥260 MPa，伸長率大于等于21％（標距50 mm）。ASTM A516M Grade485鋼材是對缺口韌性有較高要求的焊接壓力容器用碳素鋼板，其焊接性能總體較好，但當焊接工藝不當時，也存在著焊接熱影響區脆化、熱應變脆化及產生焊接裂紋的危險。焊接時熱影響區中被加熱到1 100℃以上的粗晶區及加熱溫度為700℃～800℃的不完全相變區是焊接接頭的兩個薄弱區。如果焊接熱輸入過大，粗晶區因晶粒嚴重長大或出現魏氏組織等降低了韌性；如果焊接熱輸入過小，由于粗晶區組織中馬氏體比例增大也降低韌性。正火鋼焊接時粗晶區組織性能受焊接熱輸入的影響更為顯著。當冷卻速度過快時，鋼的熱影響區粗晶區會生成馬氏體組織，硬度值較高；減小冷卻速度，可減少熱影響區粗晶區馬氏體數量，熱影響區粗晶區組織為馬氏體+貝氏體混合組織，硬度值較前者低；當冷卻速度較小時，熱影響區粗晶區組織為貝氏體，或者貝氏體+鐵素體+珠光體的混合組織，硬度明顯降低。在焊接條件下，焊接接頭各區域處于不均勻的加熱和冷卻過程，因此，焊接接頭各區域的性能（包括硬度等）是不均勻的。

1.3焊接工藝選擇

1.3.1焊接方法選擇

ASTM A516M Grade485鋼材焊接性能總體良好，常用的焊條電弧焊、埋弧焊、鎢極氣體保護焊和熔化極氣體保護焊等方法都可用于該鋼材的焊接。在保證焊接質量的前提下，為提高效率、降低成本、減小焊件變形、改善焊縫成形、提高電弧穩定性、減少焊縫含氫量和焊接飛濺等，采用熔化極氣體保護焊，保護氣體選用φ（Ar）80％+φ（CO2）20％混合氣體，試件坡口采用X形坡口，雙面多層多道焊接。

1.3.2填充材料選擇

填充材料選擇應根據鋼材的化學成分、接頭力學性能要求、結構拘束程度（板厚和接頭形式）、焊件服役工況、焊后是否熱處理等因素綜合考慮。所選用的填充材料以焊縫金屬的力學性能及其他特殊性能（如硬度等）滿足焊件的使用要求為前提。由于鏡板焊縫需要按ASME-Ⅸ標準進行焊接工藝評定，其拉伸性能、彎曲性能和沖擊韌性應符合焊接工藝評定標準的規定。另外，還應保證焊接接頭各區域（包括焊縫金屬、熱影響區和母材）的維氏硬度滿足焊件服役工況（焊接接頭上的任意兩點硬度差不大于20HV10）的技術要求。綜合以上因素，填充材料適宜選用AWS標準A5.18中的ER70S-6實心焊絲。

1.3.3試件制備

試件材料選用與產品相同材質的ASTM A516M Grade485鋼板，尺寸δ40mm×（150+150）mm×450mm，采用X形坡口，雙面全熔透焊接。

1.3.4焊接工藝參數

確定焊接工藝參數時，應優先保證焊接接頭的拉伸、彎曲性能和沖擊韌性，金相和維氏硬度滿足設計要求，同時考慮生產效率和產品焊接的實際條件，使用的焊接工藝參數如表1所示。

表1　焊接工藝參數

1.3.5焊后外觀及無損檢測

焊后按ASME標準進行100％VT+100％UT檢驗，結果為合格。

2　焊后熱處理工藝及性能測試

為驗證并準確掌握焊接接頭在不同熱處理狀態下的維氏硬度分布規律，排除焊接工藝和操作因素的影響，試件由同一名焊工，在同一個試件上采用相同的焊接方法和工藝參數施焊，制備三組維氏硬度測試試樣和金相宏觀、微觀檢驗試樣和硬度測試試樣，共有四種熱處理狀態：焊態（AW）、590℃/ 2 h消應力熱處理、640℃/2h消應力熱處理和920℃/ 1 h正火處理+590℃/2 h回火熱處理。依據測試結果為制定鏡板焊后熱處理工藝提供技術支持。

2.1試樣制備

硬度試樣分為三組，每組試樣包括1個焊態試樣和1個焊后熱處理試樣。其中每組中的焊后熱處理試樣的熱處理狀態不相同，A1-1、A2-1、A3-1為焊態（AW）；A1-2為590℃/2 h消應力熱處理；A2-2為640℃/2h消應力熱處理；A3-2為920℃/1h正火處理+590℃/2 h回火熱處理。具體如表2所示。

2.2試樣的截取位置

試樣的截取位置如圖2所示，工藝評定取樣包括：拉伸試樣2件、側彎試樣4件、沖擊試樣6件（焊縫金屬和熱影響區各3件）、三種熱處理狀態試件的金相宏觀和微觀試樣各1件。熱處理狀態為920℃/1 h正火處理+590℃/2 h回火熱處理。

表2　試樣的焊后熱處理維氏硬度試樣分組

圖2　試樣的截取位置

2.3試樣硬度測試區域

維氏硬度測試區域為每個焊接接頭試樣距焊縫兩側邊緣30mm內，測試點距試樣原始表面12mm的同一直線上；每排測定焊縫金屬、兩側熱影響區和兩側母材，且每個區域測定的點數不少于3點，測試點之間的間距不超過3 mm（熱影響區減小測定密度或在熱影響區范圍內增加測試點數）。為增加測量數據的可靠性，每個試樣母材的測試范圍由距焊縫邊緣6mm增加到30 mm，并且每個試樣同一截面上測定兩排（比要求的測定一排增加了一倍）。試驗測試部位示意如圖3所示；每個硬度試樣硬度測試點編號如圖4所示（圖4中各區域測試點編號為：測試點1～10、21～30、31～40、51～60為母材區，14～ 17、44～47為焊縫金屬區，11～13、18～20、41～43、48～ 50為熱影響區），實際測試的試樣如圖5所示（試樣A1-1與A1-2、試樣A2-1與A2-2、試樣A3-1與A3-2的硬度測試面分別為同一切口的兩個側面）。

圖3　試樣維氏硬度要求的測試部位

圖4　硬度試樣硬度測試點編號

圖5　維氏硬度測試試樣

2.4測試結果

2.4.1工藝評定試樣

熱處理狀態為920℃/1 h正火處理+590℃/2 h回火熱處理，理化檢驗結果如表3所示。

表3　工藝評定理化檢驗結果

2.4.2試樣的維氏硬度測試結果

（1）試樣的維氏硬度測試結果如表4所示。

（2）各種熱處理狀態試樣的維氏硬度分布如圖6～圖11所示（硬度單位：HV10）。

2.4.3金相檢驗結果

（1）金相宏觀檢驗結果。三種熱處理狀態試樣的金相宏觀檢驗結果均無缺陷。

（2）金相微觀檢驗結果。三種熱處理狀態試樣的金相微觀檢驗結果見圖12～圖14（圖12熱處理狀態為焊后經590℃/2 h熱處理，圖13熱處理狀態為焊后經640℃/2 h熱處理，圖14熱處理狀態為焊后經920℃/1 h+590℃/2 h熱處理）。

2.5焊后熱處理工藝與接頭硬度的關系

根據表4和圖6～圖11的硬度測試結果，并結合金相微觀檢驗情況可知，焊接接頭中焊縫區、熱影響區和母材區的HV10硬度與試樣的熱處理狀態存在以下關系。

表4　試樣的維氏硬度測試結果

圖6　A1-1、A1-2正面硬度測試

圖7　A1-1、A1-2背面硬度測試

圖8　A2-1、A2-2正面硬度測試

圖9　A2-1、A2-2背面硬度測試

圖10　A3-1、A3-2正面硬度測試

圖11　A3-1、A3-2背面硬度測試

（1）試樣在焊態AW（不經焊后熱處理）條件下，會形成組織和性能極不均勻的焊接熱影響區。熱影響區的組織和性能變化很大程度上取決于母材本身在不同加熱和冷卻條件下的物理冶金特點。當冷卻速度過快時，鋼的熱影響區粗晶區金屬會生成馬氏體組織，硬度值較高。從表4和圖6～圖11的測試結果可知，硬度最高點出現在熱影響區中，在試樣同截面上HV10硬度最大差值達91 HV10，不能滿足設計圖樣提出的任意兩點硬度差小于等于20 HV10的技術要求。

（2）試樣經590℃/2 h焊后熱處理后，焊接接頭的組織和性能雖然比焊態均勻，維氏硬度也有所降低。由圖12可知，其焊縫、熔合線、熱影響區的晶粒及組織遠不如母材金屬細小、均勻，其硬度分布仍然存在較大差異。從表4、圖6、圖7（試樣編號A1-2）的測試結果可以看出，試樣經590℃/2 h焊后熱處理后，母材金屬的硬度略有下降，而焊縫區和熱影響區的平均硬度水平有明顯降低，在試樣同截面（包括焊縫區、熱影響區和母材金屬）上HV10硬度最大差值下降到57 HV10。

（3）將試件焊后熱處理溫度提高到640℃/2 h后，從表4、圖8、圖9（試樣編號A2-2）的測試結果可知，在試樣焊接接頭同截面上的HV10硬度差會進一步下降，最大差值下降到47 HV10硬度。維氏硬度差值仍不能滿足設計圖樣規定的任意兩點硬度差小于等于20 HV10的技術要求。這是因為雖然隨著回火溫度的提高，其硬度逐漸下降，由圖13可知，回火溫度提高后，其焊縫、熔合線、熱影響區的晶粒及組織仍然不如母材金屬細小、均勻，其硬度分布必然存在不均勻性。

圖12　A1-2試樣金相微觀組織（590℃/2h熱處理，160×）

圖13　A2-2試樣金相微觀組織（焊后640℃/2h熱處理，160×）

圖14　A3-2試樣金相微觀組織（920℃/1 h+590℃/2 h熱處理，160×）

（4）試樣經920℃/1 h+590℃/2 h狀態（即焊后正火加回火）熱處理后，由圖14可知，焊接接頭經正火后，其焊縫及熱影響區的過熱晶粒得到細化，正火的珠光體組織比消應力狀態的珠光體組織的片層間距小，焊縫、熔合線和熱影響區的組織與母材的組織基本相同，正火后再回火既能明顯降低組織應力、穩定尺寸，又能明顯改善組織和性能（特別是硬度）。因此，焊件經正火加回火后，其組織和性能更加均勻，焊縫區和熱影響區的平均硬度進一步下降，并與母材金屬趨于一致。從表4、圖10、圖11中（試樣編號A3-2）的測試結果可以看出，在同一截面上的焊縫、熱影響區和母材金屬上任意兩點的HV10硬度差減小到14 HV10，完全滿足設計圖樣規定的小于等于20 HV10的技術要求。

3　結論

（1）對于ASTM A516M Grade485鋼材熔化極氣體保護焊焊接接頭，在焊態（不經焊后熱處理）條件下，焊接接頭同一截面上的焊縫、熱影響區和母材金屬中任意兩點的HV10硬度差達91HV10，不能滿足設計圖樣規定的小于等于20 HV10的技術要求。

（2）試樣經590℃/2 h焊后熱處理后，母材金屬的硬度略有下降，焊縫區和熱影響區的平均硬度明顯降低，在試樣焊接接頭同截面上（包括焊縫區、熱影響區和母材金屬）任意兩點的HV10硬度差明顯減小。將焊件焊后熱處理溫度提高到640℃/2 h后，在試樣同截面上的HV10硬度差會進一步下降。因此，隨著焊后熱處理溫度的提高，焊接接頭任意兩點間的維氏硬度差減小，但仍不能滿足任意兩點維氏硬度差小于等于20 HV10的技術要求。

（3）試樣經920℃/1 h+590℃/2 h狀態（即焊后正火加回火熱處理）時，焊縫區和熱影響區的平均硬度進一步下降；焊接接頭中的晶粒得到細化，組織和性能更加均勻，在試樣同截面上（包括焊縫區、熱影響區和母材金屬）任意兩點間的HV10硬度最大差值減小到小于14 HV10內，完全滿足設計圖樣小于等于20 HV10的技術要求。工藝評定的各項力學性能指標也完全符合相關標準的規定。實踐證明，對于ASTM A516M Grade485鋼材，采用熔化極氣體保護焊，焊后經920℃/1 h+590℃/2 h（即焊后正火加回火熱處理）熱處理工藝，焊接接頭的維氏硬度差完全能控制在20 HV10以內，并且焊接工藝評定結果符合ASME-Ⅸ標準規定。若將該焊接和熱處理工藝應用于產品時，能夠保證鏡板零件焊接接頭的力學性能和維氏硬度差達到設計圖樣的技術要求。

[1]中國機械工程學會焊接學會.《焊接手冊》（第2卷）.北京：機械工業出版社，2014.

[2]ASME鍋爐及壓力容器規范第Ⅸ卷《焊接和釬接評定》[M].北京：中國石化出版社，2010.

Impact of PWHT on weld joint hardness of ASTM A516M Grade485 steel in GMAW

HE Fuyin
（Chengdu Tianbao Heavy Industry Co.，Ltd.，Chengdu 610300，China）

The mirror plate in Muskrat Falls project has very rigorous requirement on the hardness of welding joints.Using simulated product welding heat treatment process of specimen for welding and heat treatment process tests,through NDE，PWHT,physical and chemical test，macroscopic,micro metallographic examination and hardness test,prove that ASTM A516M Grade485 steel by melting mixed gas protection welding,adopting reasonable heat treatment method after welding,which can eliminate the welding residual stress,stabilize theweldment size,and can guarantee the weld mechanical properties meet the requirements of welding procedure qualification,the Vickers hardness distinction at any two points located in the weld，HAZ and base material does not exceed 20 HV10.By experimentation,when the determined method of welding and heat treatment process and technological parameters is reasonable,can guarantee the performance of the welded joint to satisfy the requirements of the design pattern.

post weld heat treatment；ASTM A516M Grade485 steel；GMAW；welding joints；hardness

TG441.8

A

1001－2303（2016）04－0059-08

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.04.13

2014-12-04；

2015-02-03

何富銀（1964—），男，四川遂寧人，焊接工程師，主要從事焊接及熱處理工藝工作。