焊后熱處理對P92鋼焊接接頭顯微組織和力學(xué)性能的影響研究

施超

（上海電力安裝第一工程有限公司，上海 200090）

焊后熱處理方式不同，對于合金材料焊接接頭組織性能影響不同。要想明確最合適的焊后熱處理工藝，就必須了解該技術(shù)對合金材料顯微組織以及力學(xué)性能的影響性，分析其相關(guān)性，其函數(shù)信息后才可通過控制焊后熱處理工藝增強(qiáng)焊縫整體組織性能。通過對既往資料的研究可知，焊后熱處理工藝主要是對熱處理溫度以及保溫時間進(jìn)行研究，通過變動兩者數(shù)據(jù)來分析焊縫處與原始母材組織的相近性，同時，對其洛氏硬度進(jìn)行分析，在某一溫度下保溫，使得焊縫處組織性能接近原始母材，同時，使焊縫處的洛氏硬度高于母材硬度，說明這一焊后熱處理工藝為最佳工藝。本文通過不同熱處理方式對應(yīng)用于高溫高壓蒸汽管道下的P92鋼進(jìn)行研究，為明確其最佳焊后熱處理工藝，選擇12種不同的焊后熱處理技術(shù)，分別對相關(guān)實驗材料進(jìn)行處理。

1 實驗材料與方法

實驗材料全部選擇符合ASTMA335/A335M ASTMA213/213M標(biāo)準(zhǔn)的P92鋼。為進(jìn)一步控制變量，在實驗材料篩選過程中，嚴(yán)格選擇同一批次的P92鋼管。選擇的熱處理工藝均為高溫淬火加低溫回火。在確保實驗材料完全符合GB/T國標(biāo)要求的情況下，同時選擇氬弧焊加電弧焊的組合焊接方式，對原始材料進(jìn)行焊接處理。所有焊接處理工作均由同業(yè)具有相應(yīng)焊接資質(zhì)的高級焊工完成。經(jīng)測量所篩選的12組原始管材，其母材硬度均為20HRC。12組熱處理方案如下。第1組直接取焊態(tài)。第2組熱處理溫度為400℃，保溫時長60min。第3組至第6組保溫時長保持不變，均為60分鐘，熱處理溫度逐漸升高，3～6組熱處理溫度為600℃、700℃、750℃以及770℃。第2組至第6組選擇直接熱處理溫度處理的工藝，因此采用可顯示爐內(nèi)溫度的普通箱式電阻爐來完成熱處理過程。第7組至第12組選擇平均升溫法進(jìn)行熱處理，其升溫速度均為300℃每小時，所有材料均從室溫開始升溫。其中第7組逐漸加熱至600℃，選擇不保溫處理的方式來進(jìn)行熱處理。第8組至第12組實驗材料，在熱處理過程中均選擇升溫至760℃，且逐漸提升保溫時間。第8組仍選擇不保溫的方式，第9組至第12組保溫時間分別為15min、30min、60min以及90min。后續(xù)對其進(jìn)行相應(yīng)的顯微組織檢測時，選擇氯化鐵作為腐蝕劑，注意同時控制所有實驗材料所使用的氯化鐵溶液溫度。所有實驗樣本均在氯化鐵溶液中進(jìn)行20～40s反應(yīng)。

2 實驗結(jié)果

2.1 拉伸數(shù)據(jù)

拉伸實驗均采用標(biāo)準(zhǔn)化計算機(jī)模型數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，將樣本規(guī)格參數(shù)輸入模型軟件后，開始進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化拉伸實驗。全部12組樣本，在進(jìn)行實驗的過程中，熱處理方式遵照上文所述，實驗編號不變。分別對不同組次的負(fù)荷最大值、應(yīng)力最大值、彈性模量以及屈服強(qiáng)度進(jìn)行測定。各參數(shù)單位分別為F/KN，MPa，E/MPa，R/MPa。測得第1組4項參數(shù)分別為33.7621、706.491、11471、578.99。第2組4項數(shù)據(jù)分別為34.1941、713.995、13839、575.299。第3組4項參數(shù)分別為35.4719、739.391、13847、577.91。第4組4項參數(shù)為31.8741、663.729、12002、517.03。第5組4項參數(shù)為32.0173、668.004、12699、513.27。第6組4項參數(shù)為34.2379、712.985、13469、539.03。第7組 為34.4681、717.685、14848、562.01。第8組 為32.8014、684.035、11819、532.49。第9組 為34.3919、715.502、13439、534.98。第10組 為34.0120、708.525、15131、529.97。第11組為33.399、695.971、13329、531.31。第12組為31.9997、667.521、12989、507.75。根據(jù)拉伸實驗結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)所有拉斷區(qū)均不在焊縫區(qū)，由此可知，焊接后熱處理可明顯強(qiáng)化P92鋼材的拉伸應(yīng)力承載能力。通過對斷裂處的研究可發(fā)現(xiàn)斷口全部處于母材常規(guī)區(qū)域或受到焊接熱處理的部位。

2.2 硬度數(shù)據(jù)

在硬度數(shù)據(jù)方面，本次實驗選擇落實硬度HRC作為單位參數(shù)。通過對不同組次焊縫硬度的參數(shù)分析可以了解到，第3組以及第4組材料經(jīng)相應(yīng)的焊后熱處理方式處理后，對焊縫區(qū)域的整體強(qiáng)度并未起到明顯影響。而第5組實驗樣本及焊縫區(qū)域強(qiáng)度出現(xiàn)明顯下降，整體強(qiáng)度下降至22.75HRC。而直接取焊態(tài)進(jìn)行測試的1組實驗樣本，形成了馬氏體組織，因此其焊縫區(qū)域硬度值相對較大。通過上述實驗結(jié)果，可以了解焊后熱處理，溫度達(dá)到一定區(qū)間后，其焊縫區(qū)域硬度值可獲明顯改善。焊縫區(qū)域形成回火區(qū)，馬氏體加奧氏體直接影響焊縫及受焊接熱處理影響區(qū)域的硬度參數(shù)。在固定升溫速度以及固定溫度的情況下，保溫時間直接影響焊縫區(qū)硬度參數(shù)保溫時間增長，則其硬度參數(shù)更加貼近于母材參數(shù)，但根據(jù)實踐情況來看，如進(jìn)一步延長保溫時間，那么，相關(guān)區(qū)域的殘余應(yīng)力也會隨之下降，韌性情況將得到提升。根據(jù)本組實驗數(shù)據(jù)可以了解到，需要的12組鋼材最佳保溫時間為90min。

2.3 金相組織分析

根據(jù)金相組織分析中的母材組織分析，可了解到經(jīng)過不同的焊后熱處理工藝處理后，母材本身受影響情況相對較小，相關(guān)區(qū)域顯微組織結(jié)構(gòu)均為回火馬氏體。采取焊態(tài)的1組其焊縫組織為馬氏體和奧氏體混合。同時，分析3號樣本可知其焊縫組織為水火馬氏體及回火屈氏體。第4組樣本則為回火屈氏體。再分析與上述焊后熱處理工藝差別較大的第12組樣本其焊縫組織也為回火屈氏體，但其板條并不規(guī)則，而且從顯微組織結(jié)構(gòu)上來看，其結(jié)構(gòu)變得更加細(xì)小。

3 結(jié)語

P92鋼材在超超臨界機(jī)組中應(yīng)用相對比較廣泛。而在焊接過程中，為有效松弛焊接所產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，同時保障焊接過后的形狀及尺寸，提升焊接部位抗腐蝕能力，應(yīng)對焊接材料進(jìn)行焊后熱處理。本文針對P92鋼材不同方式焊接熱處理后顯微組織以及力學(xué)性能參數(shù)進(jìn)行了研究。所得實驗結(jié)果說明，采取平均升溫法，以760℃為熱處理溫度并保溫90min能夠獲得最佳的顯微組織特性以及力學(xué)性能。希望所得實驗結(jié)果對相關(guān)工作有所幫助。