去應力退火對Q960E鋼焊接接頭殘余應力與力學性能影響的研究

周陸軍，崔淼，呂金波，張習強

徐州重型機械有限公司 江蘇徐州 221100

1 序言

Q960E鋼因具有超高屈服強度及抗拉強度，被廣泛應用于工程機械領域。在Q960E鋼結構件焊接過程中，因加熱不均勻而使焊后不可避免地產生焊接殘余應力。由于殘余應力的存在對焊件結構的脆性破壞、疲勞破壞、應力腐蝕開裂以及尺寸穩定性都有不良的影響[1]，所以開展Q960E鋼焊接接頭應力研究具有極其重要的意義。

目前，針對焊件常用的去應力方法有熱處理法、振動時效法、錘擊法、靜拉伸法及超聲波法等[2-5]。在上述去應力方法中，熱處理法因具有效率高、易實施、效果好等優勢，在工業生產中廣泛應用[6]，因此，本次試驗將采用熱處理方法開展Q960E鋼焊接接頭去應力工藝研究。

2 試驗材料及方法

2.1 試板焊接

試驗所用母材為Q960E調質鋼板，填充金屬為ER50-6實芯焊絲（φ1.2mm）、GM120實芯焊絲(φ1.2mm)，母材與焊接材料化學成分及力學性能見表1～表4。

表1 Q960E鋼化學成分（質量分數） （%）

表4 GM120實芯焊絲力學性能

對接板焊件如圖1所示，坡口形式如圖2所示。采用熔化極氣體保護焊進行焊接，焊接層數如圖3所示，焊接參數見表5。焊接結束后，對焊接試板進行超聲波檢測。

表5 焊接參數

圖1 對接板焊件

圖2 焊件坡口形式

圖3 焊道層數

表2 Q960E鋼力學性能

表3 GM120實芯焊絲化學成分（質量分數） （%）

2.2 試板應力檢測及熱處理

采用箱式爐對焊件進行退火熱處理，試驗選取500℃和550℃兩種熱處理溫度，熱處理工藝曲線如圖4所示。采用盲孔法對焊件進行退火前后橫向（與焊縫垂直方向）殘余應力檢測，如圖5所示，檢測點如圖6所示。

圖4 熱處理工藝曲線

圖5 盲孔法檢測殘余應力

圖6 殘余應力檢測點示意

2.3 試板力學性能測試

按照NB/T 47014—2011《承壓設備焊接工藝評定》要求，對焊件進行拉伸、彎曲、沖擊試驗取樣并測試。單個焊件取樣數量見表6。

表6 單個焊件取樣數量

3 試驗結果

3.1 去應力退火對焊接接頭殘余應力的影響

圖7～圖10為不同退火溫度下，焊縫區和熱影響區退火前后應力值。由此可知，在500℃、550℃下退火后，焊縫區和熱影響區應力值較退火前均降低，且退火前后應力主要為壓應力。經計算，在500℃退火溫度下，焊縫區和熱影響區測點平均應力值分別降低88%、53%；在550℃退火溫度下，焊縫區和熱影響區測點平均應力值分別降低71%、55%。這可能是因為在退火狀態下，焊接接頭處晶格畸變程度降低，從而導致內部應力降低。

圖7 退火前后焊縫區應力值（550℃）

圖8 退火前后熱影響區應力值（550℃）

圖10 退火前后熱影響區應力值（550℃）

3.2 去應力退火對焊接接頭抗拉強度的影響

兩種退火溫度下，拉伸斷口均處于焊縫區，圖11為拉伸斷口位置示意，圖12為拉伸斷口形貌。焊件退火前后抗拉強度見表7，由表7可知，在500℃、550℃下退火后，焊件抗拉強度均略有降低，且退火后抗拉強度＜940MPa，這是因為焊接接頭在退火狀態下，碳發生擴散，導致珠光體增多，馬氏體和貝氏體含量下降，從而使焊接接頭強度降低。

表7 焊件退火前后抗拉強度

圖9 退火前后焊縫區應力值（550℃）

圖11 拉伸斷口位置示意

圖12 拉伸斷口形貌

3.3 去應力退火對焊接接頭彎曲性能的影響

在500℃、550℃退火條件下，焊件焊縫區經面彎及背彎均出現裂紋，彎曲性能有所下降。這是因為焊接接頭在退火狀態下，晶界間析出滲碳體，導致晶界脆化，從而使彎曲性能下降。

表8 退火前后焊件彎曲性能

3.4 去應力退火對焊接接頭沖擊性能的影響

圖13 ～圖16為不同退火溫度下，焊縫區和熱影響區退火前后的沖擊吸收能量。由此可知，在500℃、550℃下退火后，焊縫區和熱影響區沖擊吸收能量較退火前均降低。經計算，在500℃退火溫度下，焊縫區和熱影響區測點平均應力值分別降低18%、10%；在550℃退火溫度下，焊縫區和熱影響區測點平均應力值下降更多，分別降低20%、48%；這是因為焊接接頭在退火狀態下，晶界間析出滲碳體，導致韌性下降，且隨退火溫度升高，晶界間析出更多滲碳體，從而使沖擊性能進一步下降。

圖13 退火前后焊縫區沖擊吸收能量（500℃）

圖14 退火前后熱影響區沖擊吸收能量（500℃）

圖15 退火前后焊縫區沖擊吸收能量（550℃）

圖16 退火前后熱影響區沖擊吸收能量（550℃）

4 結束語

1） Q960E鋼焊接接頭去應力退火后，焊縫區和熱影響區應力值較退火前降低，在500℃退火時，焊縫區和熱影響區平均應力值分別降低88%、53%，在550℃退火時，焊縫區和熱影響區平均應力值分別降低71%、55%。這是因為在退火狀態下，焊接接頭處晶格畸變程度降低，從而導致內部應力降低。

2）Q960E鋼焊接接頭去應力退火后，綜合力學性能降低，主要表現為：①抗拉強度降低4.9%～7.7%，這是因為焊接接頭在退火狀態下，碳發生擴散，導致珠光體增多，馬氏體和貝氏體含量下降，從而導致強度降低。②彎曲性能降低，且在500℃退火時，焊縫區和熱影響區平均沖擊吸收能量分別降低18%、10%，在550℃退火時，焊縫區和熱影響區平均沖擊吸收能量分別降低20%、48%。這是因為焊接接頭在退火狀態下，晶界間析出滲碳體，導致彎曲性能和沖擊性能下降，且隨退火溫度升高，晶界間析出滲碳體增多，從而使性能進一步下降。