B元素對熔敷金屬焊后熱處理沖擊性能的影響

蔡俊，楊恒闖，張佑富，賈波

武漢鐵錨焊接材料股份有限公司 湖北武漢 430084

1 序言

由于海洋工程結構復雜，且其板材厚度較大，因此應力集中程度高。通常海洋工程結構的重要部件和部位焊后需進行熱處理，以消除內應力[1]。在去應力退火過程中，組織可能發生的變化有以下幾個方面：一是焊縫組織在550～620℃之間會生成鐵素體和滲碳體的混合物，即珠光體，導致低溫脆性轉變溫度升高[2，3]；二是熱處理會降低組織中的位錯密度，從而降低焊縫金屬的強度；三是熱處理會使碳化物在晶界析出，可能對沖擊性能不利[4]。焊縫組織的變化一方面使韌脆轉變溫度升高；另一方面又會使沖擊性能降低。因此，需要解決因去應力退火而對沖擊性能造成的不利影響。

2 試驗材料及方案

2.1 試驗材料及熱處理參數

焊接材料為自行設計的藥芯焊絲Y C J501N i-DHL，該產品滿足GB/T 10045—2018《非合金鋼及細晶粒鋼藥芯焊絲》中T494T1-1C1A-U技術要求。試驗過程中采用松下YD-500GR焊機進行焊接。焊后去應力退火制度為620℃保溫4h，然后隨爐冷卻到375℃出爐。

2.2 試驗方案

當碳素鋼和低合金鋼在550～650℃之間退火時，為低溫退火或消除應力退火。試驗產品的退火溫度為620℃，屬于去應力退火。藥芯焊絲YCJ501Ni-DHL采用鈦酸性渣系，合金體系采用Mn-Si-Ni系，并采用微合金Ti-B系。Mn-Si-Ni系可穩定焊縫金屬強度，Ni元素可降低低溫脆性轉變溫度并改善低溫沖擊性能；Ti-B系可促進針狀鐵素體產生，從而進一步提高焊縫的沖擊性能。其配方見表1。試驗過程中，其他合金含量及造渣劑含量保持不變，通過改變B含量來研究其對焊后熱處理熔敷金屬焊縫中心顯微組織及力學性能的影響，因B元素添加量較少，所以將B的鐵合金加入其中，硼鐵在配方中的添加量見表2。

表1 藥芯焊絲YCJ501Ni-DHL配方（質量分數）（%）

表2 硼鐵在配方中的添加量（質量分數） （%）

2.3 試驗過程

按照表1的配方及表2中不同硼鐵的添加量，完成了4組試驗。分別對以上4組試驗進行熔敷試板焊接，焊接參數見表3。試驗過程中采用萬能試驗機及沖擊試驗機測試熔敷金屬的力學性能，采用熒光法測試熔敷金屬的化學成分。制備金相試樣時，磨制拋光后經3%硝酸酒精溶液浸蝕，在金相顯微鏡下觀察。

表3 熔敷試板焊接參數

3 試驗結果

3.1 熔敷金屬力學性能及化學成分

4組試驗均按表3所列的焊接參數焊接熔敷試板，焊態下熔敷金屬力學性能結果見表4，熱處理后熔敷金屬力學性能見表5，并且在熱處理后進行了－20℃和－40℃沖擊試驗。熔敷金屬化學成分見表6。

表4 熔敷金屬力學性能（焊態）

表5 熔敷金屬力學性能（熱處理態）

表6 熔敷金屬化學成分（質量分數） （%）

由表4可見，4組試驗在焊態時熔敷金屬力學性能均較好，沖擊吸收能量均值都在100J以上。由表5可見，4組試驗在經熱處理后，－20℃低溫沖擊吸收能量滿足技術要求，但隨著B含量增加，其沖擊吸收能量上升；－40℃低溫沖擊吸收能量明顯下降，其中SR1和SR2試件的沖擊吸收能量不合格，SR4的平均沖擊吸收能量高于SR3。

由表6可見，在熔敷金屬中B含量隨硼鐵的添加量增加而逐漸增加。

3.2 焊縫金屬金相組織

SR1～SR4熔敷金屬經熱處理后對應的焊縫中心金相組織分別如圖1～圖4所示。

圖1 SR1熱處理后焊縫中心顯微組織（500×）

由圖1～圖4可見，熱處理后焊縫中心的金相組織均為鐵素體＋先共析鐵素體，因C元素含量較低，未見珠光體，或珠光體較小，放大500倍時其表現不明顯。由圖1可知，先共析鐵素體含量較高，晶界處為大塊狀先共析鐵素體（白色塊狀部分），故其低溫沖擊吸收能量較低。由圖2可知，在晶界處仍可見塊狀先共析鐵素體，但含量有所降低，且晶內鐵素體變細；由圖3、圖4可知，在晶界處的先共析鐵素體明顯減少，特別是圖4的表現較為明顯，圖3中的先共析鐵素體被晶內鐵素體打斷，沒有形成連貫的整塊或整片，因此SR3及SR4的沖擊性能更佳。

圖2 SR2熱處理后焊縫中心顯微組織（500×）

圖3 SR3熱處理后焊縫中心顯微組織（500×）

圖4 SR4熱處理后焊縫中心顯微組織（500×）

4 分析與討論

通過研究B元素對焊后熱處理熔敷金屬力學性能及焊縫中心顯微組織的影響，可以發現，在配方中其他合金添加量保持不變，當B含量在0.0027%～0.0048%之間變化時，會出現以下變化。

1）當C、Si、Mn、Ni及Ti含量無明顯波動時，隨B含量的增加，熔敷金屬經620℃保溫4h熱處理時，其焊縫中心的先共析鐵素體含量隨B含量的增加而降低，且其大小隨B含量的增加而變小。

2）與之相對應，低溫沖擊吸收能量隨B含量的增加而上升。

3）熱處理后，熔敷金屬抗拉強度比焊態時低，伸長率有所提高。