13MnNiMoR埋弧焊接头焊后热处理的组织和韧性

李晓波，田松亚，桂鹏千

（河海大学，江苏常州213022）

13MnNiMoR埋弧焊接头焊后热处理的组织和韧性

李晓波，田松亚，桂鹏千

（河海大学，江苏常州213022）

采用埋弧焊焊接13MnNiMoR厚钢板，焊丝为H10Mn2NiMoA，焊剂为SJ102。对经热冲压模拟、正火、亚温正火、高温回火的焊接接头进行了-20℃冲击试验。采用显微镜观察各热处理状态下的焊缝和热影响区的金相组织。结果表明：未高温回火前，焊接接头的组织以粒状贝氏体为主，M-A尺寸均较大；亚温正火后还存在部分铁素体，粒状M-A组元呈链状分布，冲击功最高仅为19 J；高温回火后，M-A组元大量分解，其面积比例及最大尺寸大大降低，基体组织为回火索氏体与回火贝氏体，冲击功得到较大提高，最低值为46 J。

13MnNiMoR；粒状贝氏体；M-A组元；冲击韧性

0 前言

压力容器在高温、高压、中子辐射、腐蚀或极低温等恶劣环境服役，要求其用钢具有较高性能，这相应地提高了焊接接头性能要求。13MnNiMoR因具有较高的抗拉强度和较好的韧性被用来制造压力容器，根据国标要求选用H08Mn2MoA焊丝匹配SJ101焊剂进行埋弧焊[1]，焊态或焊后消应力处理的接头性能高于标准要求。经高温压制的焊接封头，需重新正火+回火处理，以恢复母材的力学性能，但焊缝是铸态组织，且焊缝的成分与母材差别较大，热处理后焊接接头的性能变化与母材不同，有必要对其进行研究。

本研究采用埋弧焊焊接13MnNiMoR厚板，以H10Mn2NiMoA焊丝匹配SJ102焊剂，研究焊接接头焊后热处理过程中组织和韧性的变化，揭示M-A组元的面积比例、最大尺寸与韧性的关系。

1 试验材料和方法

母材为60mm厚的13MnNiMoR钢板，供货状态为正火+高温回火。该钢的相变点Ac1为709℃，Ac3为821℃。屈服强度ReL≥380 MPa，Rm=520～720 MPa，伸长率δ≥18％，V型缺口横向Akv≥52 J（-20℃）。化学成分如表1所示。母材坡口采用冷加工成型，尺寸及形状如图1所示。

表1 13MnNiMoR钢板的化学成分％

图1 坡口形式

埋弧焊焊接接头采用φ4.0mm的J607焊条打底，填充层及盖面层焊接均采用φ4.0mm的H10Mn2NiMoA焊丝匹配SJ102焊剂，焊接工艺参数如表2所示。H10Mn2NiMoA焊丝和SJ102焊剂化学成分见表3、表4。焊剂使用前经（300℃～400℃）×2 h烘焙，堆积厚度不超过5 cm，试板焊前进行200℃～220℃预热。焊接接头的焊后热处理工艺参数如表5所示。

表2 埋弧焊接工艺参数

表3 H10Mn2NiMoA焊丝化学成分％

表4 SJ102焊剂化学成分％

表5 焊后热处理工艺

焊接接头冲击试验利用PTM-2100A1型摆锤式冲击试验机，测试温度为-20℃。试样按国家标准GB/T2650中的相关规定加工[2]。

金相试样经机械磨制抛光后用4％硝酸酒精溶液腐蚀，在光学显微镜下观察显微组织。再经Lepera试剂腐蚀观察M-A组元。

2 实验结果和分析

2.1 焊接接头微观组织

由于热冲压模拟及正火均采用空冷，冷却速度缓慢，高温停留时间长，易形成铁素体、上贝氏体、粒状贝氏体等组织[3]。如图2～图5所示，焊接接头经热冲压模拟及正火后的显微组织均为粒状贝氏体。热冲压模拟温度为980℃，远远高于母材Ac3的821℃，已完全奥氏体化，且接近过热区的下限温度，使得HAZ中成分均匀化，冷却至室温后，HAZ其他区域均转变为与过热区相同的组织。再经920℃正火，使得成分进一步均匀，细化晶粒，并消除了部分区域内组织的不均匀性。

经过亚温正火后，组织改变为铁素体+粒状贝氏体，该铁素体是在两相区保温过程中产生的，铁素体为稳定相，在随后的冷却过程中不发生改变。高温回火后，M-A组元大量分解，贝氏体铁素体发生侧板条融合，最终形成回火贝氏体+回火索氏体+少量M-A组元。

2.2 M-A组元变化

由于贝氏体铁素体的形成使得未转变过冷奥氏体富碳，富碳后奥氏体稳定性提高，但富碳奥氏体（A富）中碳含量差别极大，在继续冷却过程中A富转变为马氏体，与残留至室温的A富形成M-A组元。试样经4％硝酸酒精预腐蚀后再经Lepera试剂腐蚀，基体呈灰黑色，M-A组元呈白亮色[4]，结果如图6～图9所示。试验结果表明，焊接接头经各道热处理工序后，其组织中均存在数量、形态各异的MA组元。

图2 方案1焊接接头微观组织

图3 方案2焊接接头微观组织

图4 方案3焊接接头微观组织

图5 方案4焊接接头微观组织

图6 方案1焊接接头M-A组元

图7 方案2焊接接头M-A组元

图8 方案3焊接接头M-A组元

焊接接头经980℃热冲压模拟后，焊缝及热影响区中的M-A组元主要呈块状、粒状及长条状随机分布于基体上，焊缝中大块及长条状M-A组元数量多于HAZ，粒状M-A组元的数量少于HAZ。

再经920℃正火后，焊缝及热影响区中M-A组元数量增多，焊缝中单个M-A组元面积增大，HAZ处单个M-A组元的面积无明显变化。980℃和920℃正火获得的组织中M-A组元形态基本不变，仍呈块状+粒状+长条状随机分布于基体中。

经740℃亚温正火后，焊缝及热影响区中M-A组元为粒状，粒状M-A组元呈链状分布。与前两道正火相比，焊缝中的M-A组元明显细化。再经640℃高温回火后，M-A组元大量分解，但焊缝和热影响区仍有少量的粒状M-A组元残留。

2.3 冲击试验结果

四种方案焊接接头的-20℃冲击韧度见表6。由表6可知：①未回火前，焊接接头的冲击韧度变化不大，最低值与最高值仅相差10 J，且最高值只有19 J，这是因为各焊后热处理所得基体组织均为粒状贝氏体，M-A组元数量较多，存在块状及长条状M-A组元。②回火后，冲击韧度大幅上升，焊缝三个冲击试样平均值达到132 J，HAZ达到55 J。这是由于回火后大部分M-A组元分解，剩余少量呈粒状的M-A组元，减少了对基体韧性的影响。③试验中大部分HAZ冲击韧度高于焊缝。

图9 方案4焊接接头M-A组元

表6 各工艺焊接接头冲击值

3 M-A组元对冲击韧性的影响

采用统计软件Image-Pro Plus 6.0及透明网格对焊接接头M-A组元的体积分数V及多个视场内M-A组元最大尺寸a进行统计，结果如表7所示。由表7可知：①焊接接头经热冲压模拟后，组织中M-A组元的数量较两种正火处理后的少，但尺寸较两种正火处理的大，三种热处理方案所得MA组元的数量及尺寸均较大，其中M-A组元面积比例最大为23.52％，最大尺寸达到28.87 μm。②高温回火后，M-A组元数量及尺寸均有不同程度的减小，主要是因为回火保温过程中M-A组元大量分解所致。

表7 M-A组元体积分数

粒贝中铁素体基体是塑性相，M-A组元是脆性相，M-A组元的数量、尺寸及形态影响着粒贝的韧性[5]。方案1和方案2焊缝及热影响区的组织均为粒贝，因此粗大的块状或条状M-A组元对该区域的韧性有着较大的影响。文献[6]中M-A组元的尺寸和面积比例对韧性的影响：①M-A组元在粒贝中为脆性相，其尺寸越大时，越易引起解理断裂，韧性越差，此结论与本实验结果一致。②M-A组元面积比例减少，塑性的α相在变形时的滑移自由程增加，将提高粒贝的韧性。对比两方案，方案1中M-A组元的面积比例较小，尺寸较大；方案2中M-A组元的面积比例较大，尺寸相对较小；两种方案的加热温度均远高于Ac3，虽然方案2在方案1的基础上又进行了一次温度稍低的正火，但对细化奥氏体晶粒的作用有限，奥氏体晶粒严重长大且尺寸相近，空冷至室温获得相同的组织，因此两方案的冲击韧度相近且均较低。

方案3增加740℃亚温正火，保温过程中逆转变奥氏体于原奥氏体晶界和M-A组元边界形成并将原奥氏体晶粒分割，使得晶粒细化；M-A组元虽有一定程度的细化，但分布形式改

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Microstructure and toughness of 13MnNiMoR steel welding joint after PWHT for SAW

LI Xiaobo，TIAN Songya，GUI Pengqian
（Hohai University，Changzhou 213022，China）

13MnNiMoR thick steel plate was welded by submerged arc welding with H10Mn2NiMoA and SJ102.The welding joint was suffered from hot-stamping simulation,normalizing，subcritical normalizing，tempering.Their impact test were carried out under-20℃，microstructure of the weld and heat affected zone for each heat treatment condition were observed by optical microscope.The results show that the welded joint's microstructure is mainly granular bainite，M-A constitutes'length are large before tempering；ferrite and particle M-A constitute's morphology are in chain distribution after subcritical normalizing，impact toughness of the above joints is only up to 19 J.A plenty of M-A constitutes are decomposed after high-temperature tempering，the area ratio and maximum length are greatly reduced，the microstructure of matrix is tempered sorbite and tempered bainite，impact toughness is greatly improved，the lowest value is 46 J.

13MnNiMoR；granular bainite；M-A constitute；impact toughness

TG441.8

A

1001－2303（2017）01－0063-06

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.01.12

献

李晓波，田松亚，桂鹏千.13MnNiMoR埋弧焊接头焊后热处理的组织和韧性[J].电焊机，2017，47（1）：63-67，105.

2016-07-27；

2016-11-20

李晓波（1991—），男，江苏南通人，在读硕士，主要从事热加工材料组织性能方面的研究。