不同熱處理溫度對D36鋼焊接接頭力學性能和金相組織的影響

張秀荷

（海洋石油工程股份有限公司，山東 青島266520）

不同熱處理溫度對D36鋼焊接接頭力學性能和金相組織的影響

張秀荷

（海洋石油工程股份有限公司，山東 青島266520）

為了制定合理的熱處理方案，以適應海洋工程D36鋼焊接施工要求，保證焊接質量，在母材、焊材、坡口形式、焊接位置、焊接方法及工藝等基本參數一致的條件下，對不同熱處理溫度下D36鋼焊接接頭的焊縫和熱影響區的化學成分、力學性能和金相組織進行了分析和對比試驗。結果表明，熱處理溫度的不同會導致焊縫區和熱影響區的顯微組織發生較為復雜的變化，進而使焊接接頭的力學性能下降，為了保證焊接質量應該選擇合適的熱處理溫度。經測定，780℃和890℃熱處理條件下焊接接頭的金相組織和力學性能都在規定范圍，但780℃熱處理后焊接接頭的力學性能更為優異。

焊接；D36鋼；熱處理；化學成分；金相組織；力學性能

船體用結構鋼按照最小屈服強度分為一般強度結構鋼和高強度結構鋼。中國船級社規范將一般強度結構鋼分為A、B、C、D四個等級。D36鋼是目前我國海洋工程最常用的高強度船用鋼板，隨著使用厚度的增加，熱處理工藝變得尤為重要。研究不同熱處理溫度焊接接頭的化學成分、力學性能和金相組織的影響，不僅對提高焊接熱處理質量有一定的指導意義，而且可以加快焊接施工進度，取得更好的經濟效益[1-2]。本研究主要討論不同熱處理溫度對D36鋼焊接接頭力學性能和金相組織的影響，以期為實際生產提供參考。

1 試驗過程

1.1 焊接過程的控制

（1）選擇有經驗的、焊接質量穩定的焊工為本次工藝試驗的操作者；

（2）在穩定的環境下施焊，避免空氣流動影響氣體的保護效果；

（3）焊接前制定詳細的焊接工藝試驗方案[3]，確定焊接參數的參考值，明確注意事項，并嚴格按工藝試驗方案施焊；

（4）由于是多道焊接，層間的焊渣、飛濺要徹底清理，特別是打底焊道，焊渣不易去除，尤其要注意[4]。

1.2 熱處理試驗要求

焊接性能是船體結構用鋼的一項很重要的指標[5]，焊接性能的好壞直接影響著船體結構的安全可靠性。為了研究高強度船板的熱處理工藝，選用了3種溫度進行試驗，保溫時間相同。按照780℃、890℃和1 000℃進行熱處理，選用材料為厚度100 mm的D36板材，焊接工藝為SMAW，X形坡口，間隙3 mm，坡口角度為37.5°。

2 試驗方法

2.1 化學成分分析

首先采用金相預磨機將試樣焊縫的橫截面磨光；然后用10%的HCl+HNO3混合溶液進行腐蝕，直至看到清晰的焊縫輪廓線；最后采用直讀光譜儀對相應的位置進行成分測定。

采用的儀器型號為SPECTRO-MAXx型直讀光譜儀，該光譜儀對主要金屬元素的檢出下限為0.001%。

2.2 金相組織

首先根據焊縫輪廓，劃線確定金相試樣的切取位置，用線切割方法切取試樣；然后采用常規的金相試樣制備方法進行研磨、拋光、腐蝕（4%硝酸酒精腐蝕劑）處理；最后在金相顯微鏡下進行組織觀察，并分別拍攝焊縫區、熱影響區等位置的典型金相照片。

2.3 力學性能檢測

2.3.1 拉伸試驗

根據GB/T 228—2010《金屬材料 室溫拉伸試驗試驗方法》[6]在萬能試驗機上進行拉伸試驗，試樣形狀及尺寸如圖1所示。

圖1 拉伸試樣形狀及尺寸

2.3.2 彎曲試驗

根據GB/T 232—2010《金屬材料 彎曲試驗方法》[7]在萬能試驗機上進行彎曲試驗，壓頭直徑50.8 mm，彎曲角度為180°，試樣形狀及尺寸如圖2所示。

圖2 彎曲試樣形狀及尺寸

2.3.3 沖擊試驗

根據GB/T 229—2007《金屬夏比缺口沖擊試驗方法》[8]， 采用 10 mm×10 mm×55 mm 的 V形缺口沖擊試樣，對焊接接頭的焊縫、熱影響區進行－20℃的低溫沖擊試驗。沖擊試樣形狀及尺寸如圖3所示。在垂直于焊縫方向截取沖擊試樣，焊縫沖擊試件缺口位于焊縫的中間，熱影響區沖擊試樣缺口中心位于熔合線上。

圖3 沖擊試樣形狀及尺寸

3 試驗結果與分析

3.1 化學成分測試結果

對不同熱處理溫度下試樣的焊縫區及熱影響區成分進行了直讀光譜法測試，結果見表1和表2。由表1和表2可以看出，3個試樣焊縫區的Si含量不很均勻。同時，焊縫區Mn含量明顯高于相應的熱影響區。在常規熱處理和非常規熱處理試樣中Ti都明顯偏少。這種成分上的差別在金相組織上有時候并沒有明顯的反應。焊縫中Si、Mn和Ti含量有較大波動一般是正常的，主要與焊接材料的成分以及熔合比等有關[9]。各試樣在厚度方向上均無明顯的成分差異。

表1 不同熱處理溫度下試樣焊縫區的化學成分

表2 不同熱處理溫度下試樣熱影響區的化學成分

3.2 金相組織分析結果

三種不同溫度熱處理后，焊縫及熱影響區的金相組織如圖4和圖5所示。

780℃熱處理試樣焊縫區由典型的柱狀晶粒和焊道間的正火細晶粒組成。熱影響區明顯，寬度在1 mm左右。熱影響區靠近熔合線附近晶粒粗大，呈現粒狀貝氏體組織特征。焊縫區與熱影響區的組織在板厚方向上無明顯差異。

890℃熱處理試樣焊縫區為典型的柱狀晶加焊道間正火細晶粒構成。柱狀晶粒明顯變小，可能是部分發生了重結晶所致。熱影響區組織由細小的珠光體和鐵素體顆粒混合而成，呈現完全重結晶特征。這兩種組織都可能引起強度下降或變脆[10-11]。

圖4 不同熱處理溫度下焊縫柱狀晶組織 50×

圖5 不同熱處理溫度下熱影響粗晶區金相組織 500×

1 000℃熱處理試樣焊縫為典型的柱狀晶粒和焊道間的正火細晶粒構成。熱影響區仍然呈粒狀貝氏體特征。在熔合線附近的鐵素體晶粒發生了顯著的長大現象。其母材內有嚴重的帶狀組織分布。其鐵素體晶粒發生了嚴重的長大，平均尺寸達到了50 um以上。

3.3 力學性能

3.3.1 拉伸試驗

3種溫度下熱處理后焊接接頭抗拉強度分別為575 MPa、510 MPa和465 MPa。1 000℃熱處理試樣斷裂位置在焊縫，其他均斷裂于母材，且1 000℃熱處理試樣不能滿足基本的強度要求。

3.3.2 彎曲試驗

3種熱處理后焊接接頭進行側彎試驗，都沒有缺陷，說明焊縫的抗彎強度達到了要求。

3.3.3 沖擊試驗

3種熱處理后焊接接頭焊縫的沖擊功分別為265 J、117 J和72 J，熱影響區的沖擊功分別為281 J、137 J和46 J，都滿足要求。但是780℃熱處理試樣的沖擊功明顯高于1 000℃熱處理件，說明780℃熱處理焊接接頭的韌性較好。

4 結 論

（1）熱處理溫度的不同導致了焊縫區和熱影響區的顯微組織發生了復雜的變化，在熱影響區出現較多的粒狀貝氏體、塊狀鐵素體以及鏈狀析出相等，這些組織的出現一般都會導致接頭力學性能的下降。

（2）對焊接厚度比較大的鋼板，除了正確選擇焊材、焊接方法和坡口等參數外，還應注意熱處理工藝參數的選定，力爭在兼顧效率的情況下保證質量。

（3）經測定，780℃和890℃熱處理條件下焊接接頭的金相組織和力學性能都在規定范圍，但780℃熱處理后焊接接頭的力學性能更為優異。

[1]李亞江.焊接組織性能與質量控制[M].北京：化學工業出版社，2005：218-221.

[2]張玉鳳.依據“合于使用”原則的焊縫金屬評定[J].焊接學報，1988，9（2）：89-95.

[3]張其樞，褚耀庭.不銹鋼焊接[M].北京：機械工業出版社，2000.

[4]ZHANG S C， MA W D，TIAN X T.An engineering method for J-integral estimation of welded Joints with mechanical heterogeneity[M].IIW Doc.X1179-88，1988.

[5]張建勛，史耀武，涂銘旌.焊接接頭斷裂力學參量工程評定方法研究[J].焊接學報， 1990， 11（2）：115-121.

[6]GB/T 228—2010，金屬材料 室溫拉伸試驗試驗方法[S].

[7]GB/T 232—2010，金屬材料 彎曲試驗方法[S].

[8]GB/T 229—2007，金屬夏比缺口沖擊試驗方法[S].

[9]王東坡，霍立興，張玉鳳，等.焊接殘余應力對超聲波沖擊處理焊接接頭疲勞性能的影響[J].機械工程學報，2004， 40（5）： 150-154.

[10]STATNIKOV E S，MUKTEPAVEL V O，TROUFIAKOV V J，et al.Comparison of ultrasonic impact treatment and other fatigue life improvement methods[J].Welding in the Word， 2002， 46（3/4）： 20-32.

[11]霍立興.焊接結構的斷裂行為及評定[M].北京：機械工業出版社，2000：112-115.

Influence of Different Heat Treatment Temperature on the Mechanical Properties and Metallographic Structure of D36 Steel

ZHANG Xiuhe
（Offshore Oil Engineering Co.,Ltd.,Qingdao 266520,Shandong,China）

In order to formulate a reasonable heat treatment scheme to meet the requirements of welding construction and welding quality,under the condition of the basic parameters are consistent,such as base metal,welding material,groove type,welding position,welding method,welding technology,and so on,the chemical composition,mechanical properties and metallographic structure of D36 steel weld and heat affected zone were analyzed and compared under different heat treatment temperature.The results indicated that different heat treatment temperature can lead to complex change in microstructure of weld and heat affected zone,and then the mechanical properties of welded joint reduce,so it should select the appropriate heat treatment temperature to ensure welding quality.After measurement,the metallographic structure and mechanical properties of welded joint are within the specified scope under 780℃and 890℃heat treatment temperature,but after heat treatment at 780℃,the mechanical properties of welded joint is more excellent.

welding;D36 steel;heat treatment;chemical composition;metallographic structure;mechanical properties

TG407

A

10.19291/j.cnki.1001-3938.2016.01.004

張秀荷（1980—），女，碩士，工程師，主要從事金屬材料及合金的理化試驗工作。

2015-09-10

謝淑霞