一种改善厚板多道焊焊接接头低温韧性的方法与流程

本发明属于金属材料领域，是一种改善厚板(30-80mm厚)多道焊焊接接头低温韧性的焊后热处理方法。采用该方法能使焊缝金属-40℃冲击功由小于40J提高到70J以上。

背景介绍

在多层多道焊接过程中，焊缝金属和热影响区都将经历多次不同温度的焊接热循环，因此，其原始组织将发生不可逆的转变，引起局部组织不均。金相和TEM观察发现，链状M/A组元形成于层间重加热区，且主要沿原始柱状晶晶界或重加热形成的粗大奥氏体晶界分布。脆性M/A易成为冲击实验过程裂纹的起裂位置，且裂纹会发生沿晶界扩展而导致沿晶断裂，从而引起焊缝金属冲击韧性的恶化。焊缝金属和热影响区的组织对焊接接头力学性能起至关重要的作用。先前许多研究表明，低合金高强钢焊接接头冲击韧性薄弱区会出现在CGHAZ和ICCGHA。因为，在这两个区域会形成粗大奥氏体晶粒，且高碳的M/A组元也将形成。此外，这种脆性M/A容易沿奥氏体晶界分布而导致裂纹起裂和扩展吸收功大幅降低，严重损害接头低温韧性。焊缝中，先焊道的局部区域将受到随后的焊道热循环影响，使得组织中马氏体、残余奥氏体或者退化珠光体含量增加，而AF含量减少，这种组织的演变将导致焊缝重加热区低温韧性降低。为此，需进行热处理以改善接头低温韧性。

传统回火热处理(回火温度500-740℃，回火时间30min)不能有效改善焊缝金属低温冲击韧性。而采用临界热处理(淬火+临界退火+回火或临界退火+回火)可以显著提高焊缝金属低温韧性和均匀延伸率。主要原因，是临界热处理工艺会促进M/A组元的回转，并形成了有利于提高韧性的稳定残余奥氏体(体积分数约6％)，从而会使得低温韧性得到提高。因此，采用临界热处理工艺来提高韧性是可行的。

技术实现要素：

本发明旨在提出一种改善厚板多道焊焊接接头低温韧性的焊后热处理方法。采用本发明提出的两种临界热处理工艺，厚板经过这两种热处理工艺后，焊缝金属-40℃冲击功可由小于40J提高到70J以上。本发明采用焊接试板分别为30mm、55mm和80mm、屈服强度500-700MPa级低碳低合金钢，焊接材料为Mn-Ni-Mo系焊丝，采用多道埋弧焊方法进行填充焊接实验，焊后采用不同热处理工艺对焊缝金属进行热处理，测定临界热处理工艺对焊缝金属低温韧性的影响。首先，采用普通的回火热处理工艺进行热处理，回火温度范围为500-740℃，回火时间为30min，在电阻加热炉内完成。另外，采用新设计的两相区热处理方法对焊缝金属进行热处理。所设计的两相区热处理工艺如图1所示。

一种改善厚板多道焊焊接接头低温韧性的焊后临界热处理方法，对焊缝金属采用三步或两步热处理过程：将焊接接头奥氏体化后淬火，之后在两相区进行退火和临界区回火处理或者不经奥氏体化而直接进行两相区退火与临界区回火处理，以促进M/A组元的回转及稳定残余奥氏体的获得，两相区退火温度高于Ac1温度20～60℃，临界区回火温度为Ac1温度±20℃。

对于30-80mm厚的厚板，焊接接头经奥氏体化温度时：奥氏体化温度900℃，保温时间30min；两相区临界退火温度为：680-800℃，保温时间为10-60min；临界回火温度为：600-700℃，保温时间为10-60min。接头在奥氏体区(Ac3～1000℃)经过10～60min保温处理后，进行水淬以消除接头局部组织和性能不均；将淬火接头重新加热至两相区的低温区(略高于Ac1温度20～60℃)，保温10～60min后空冷或水淬至室温；最后将接头置于临界回火温度区间(Ac1温度±20℃)保温10～60min后空冷至室温。促进M/A组元的回转，并形成有利于提高韧性的稳定残余奥氏体。

由此热处理工艺处理的焊接接头能促进由多道热循环形成的M/A组元的回转，并形成有利于提高韧性的稳定残余奥氏体。在退火阶段Mn、Ni再配分，由铁素体基体向回转奥氏体富集，冷却阶段富集到相变形成的贝氏体及M/A中。回火阶段，Mn、Ni再一次进行配分(尤其是Mn)，回转的M/A向奥氏体进一步富集，使得回转奥氏体具有较高的奥氏体稳定元素(Mn、Ni)，在随后冷却过程中不发生相变或部分发生相变，使得其中一部分回转奥氏体稳定保留到室温，形成残余奥氏体。

本发明的特点在于：巧妙地采用两相区临界热处理工艺设计，提高了厚板多道焊焊接接头的低温韧性。通过合理地设计临界热处理工艺参数，使得多道焊焊接接头中的M/A组元得以回转，而Mn、Ni元素发生再配分，提高了回转奥氏体中的奥氏体稳定元素含量而使得其得以保留至室温形成稳定的残余奥氏体。本发明提出的热处理工艺简单，生产成本低，易于大批量生产。

附图说明

图1是本发明中对厚板焊接接头进行热处理的工艺示意图。T₁＝680-800℃,T₂＝600-700℃,t₁＝10～60min，t₂＝10～60min；T₁和T₂是等温温度，t₁、t₂是等温时间。

图2是实施例1所得到的焊接接头中焊缝金属的金相组织。

图3是实施例1所得到的焊接接头中焊缝金属链状组织的TEM像。

图4是实施例1经步骤2普通回火处理前后的冲击功测定结果。

图5是实施例1经步骤2后的焊接接头在本发明的临界热处理工艺条件下-40℃时的冲击实验结果。

图6是实施例1经步骤2后的焊接接头在本发明的临界热处理工艺条件下韧脆转变温度示意图。

图7是实施例1经步骤2后的焊接接头在本发明的临界热处理工艺条件下的残余奥氏体含量。

图8是实施例1经步骤2后的焊接接头在本发明的临界热处理工艺(Q-IA-T)条件下的SEM组织形貌。

图9是实施例1经步骤2后的焊接接头在本发明的临界热处理工艺(IA-T)条件下的SEM组织形貌。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明中很小的一部分，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

改善厚板多道焊焊接接头低温韧性的焊后临界热处理方法，制备步骤如下：

步骤1：采用多道埋弧焊方法对55mm厚、屈服强度550MPa级厚板进行填充焊接实验；

步骤2：将步骤1所得焊接接头加热至500-740℃进行普通回火处理，回火时间为30min钟，之后空冷至室温；另外，采用新设计的两相区临界热处理方法对步骤1接头进行热处理，将其加热至900℃奥氏体化后水淬或未经此步骤，之后分别加热至680-800℃两相区等温10-60min后空冷，接着再将其加热至600-700℃等温10-60min后空冷至室温，

图5给出实施例焊缝金属-40℃普通回火前后冲击功测试结果，可以看出普通回火处理并不会有效改善焊缝金属低温冲击韧性。

表1 55mm厚板焊接接头临界处理前后焊缝金属力学性能

表1给出焊缝金属临界热处理前后的力学性能。结果显示，焊态焊缝金属具有较高的强度，其屈服强度为610MPa，抗拉强度为782MPa，但其塑性和低温韧性较差。而经过监界退火及回火处理后，低温冲击功(-40℃)提高显著，由39.2J分别提高至97.7J和83.5J，这说明此工艺显著改善了焊接接头韧性。同时，发现经本热处理工艺处理得到的焊缝金属综合性能非常优异，抗拉强度仍可达729MPa和766MPa，尽管屈服强度有所降低，但其均匀延伸率、总延伸率具有较大幅度提高，这也说明焊缝金属塑性得到提高。

实施例2

利用实施例1中IA-T工艺分别对30mm和80mm厚、屈服强度500-700MPa厚板多道焊接接头进行热处理，并对焊缝金属进行热处理前后性能对比，如表2所示。结果显示，采用IA-T热处理工艺后，焊缝金属均匀延伸、总延伸和低温韧性均得到显著提高。其差异主要体现在：30mm厚板接头经热处理后强度同样有所增加，而80mm厚板接头热处理后强度变化较小。其原因与钢板中的合金成分相关。

以上两个实施例充分说明，本发明的临界热处理方法适用于30-80mm厚、屈服强度为500-700MPa的多道埋弧焊焊接接头。

表2 30mm和80mm厚板焊接接头临界处理前后焊缝金属力学性能