基于固态相变选择焊缝金属热处理强化的焊接材料

（南京钢铁股份有限公司 研究院，江苏 南京 210035）

0 前言

焊接材料选用的基本原则是：形成的焊缝金属其焊态的力学性能（如强度及韧性）与母材相匹配[1]。但是在生产实践中，通过焊接工艺连接成结构件后，焊接接头因工作环境或其他需要进行特殊热处理，热处理后的焊缝金属力学性能恶化，不能与母材相匹配[2]，成为实际生产中的技术难题之一，需要从理论上指导焊接材料选择。

通常的焊后热处理是消应力热处理，消除因焊接热胀冷缩而存在于焊接接头中的热应力，其温度较低，不会使焊缝金属发生固态相变[3]。而特殊热处理的温度高于消应力处理温度，可能达到回火温度，此时虽未发生相变，但会使焊缝金属的碳化物析出[4]，引起力学性能变化。

对于需要进行特殊焊后热处理的焊缝金属，其焊接材料的选用成为制作容器产品合格的关键。本研究基于固态相变及其特点，以SA387Cr11CL2容器钢为实验材料，选用4种不同的焊接材料进行实验，分析组织变化，说明选用适用于特殊焊后热处理的焊接材料的基本思路。

1 实验材料及方法

母材为SA387Cr11CL2容器钢，厚度51 mm。选用4种焊接材料，分别为埋弧焊焊丝CHW-S9、CHW-S11，直径均为φ4.0 mm；电焊条CHH307R、CHE607RH，直径均为φ3.2 mm，化学成分如表1所示。X型坡口，坡口角度60°，如图1所示。采用埋弧焊和焊条电弧焊，埋弧焊热输入38～40 kJ/cm，焊条电弧焊热输入28～30 kJ/cm，制备4个焊接接头。焊后进行热处理，热处理工艺如图2所示，以平均速度130℃/s加热到715℃，保温360 min，然后空冷到室温。

表1 4种实验焊缝金属的化学成分及Ac1Table 1 Chemical composition of four experimental welding metal

图1 坡口形式Fig.1 Groove type

图2 焊后热处理工艺示意Fig.2 Curve of post-weld heat treatment process

对焊后热处理的4个焊接接头进行室温拉伸试验，试样为全厚度板状，尺寸51mm×25mm×380mm，测定焊接接头的强度。对焊缝金属进行显微组织分析。显微组织试样按照标准进行研磨、抛光和腐蚀，在型号为B*51M的Olympus高倍聚焦光学显微镜上观察显微组织。

2 实验结果与分析

2.1 4个焊接接头的室温拉伸实验结果

埋弧焊CHW-S9、CHW-S11焊接接头、焊条电弧焊CHH307R、CHE607R焊接接头的室温拉伸实验结果如表2所示。结果表明：焊条电弧焊CHWS9、CHW-S11和埋弧焊CHH307R焊接接头的拉伸均断在焊缝部位，即焊缝金属的强度低于母材，而CHE607R焊接接头拉伸断在母材，焊缝金属强度高于母材，焊接接头强度符合国标要求[5]。

表2 焊接接头室温拉伸结果Table 2 Tensile test results of welding joint at room temperature

2.2 焊缝金属组织在焊后热处理过程中的演变及对焊缝金属强度的影响

多层多道焊缝金属由两部分组成：一部分为直接凝固的焊缝金属，是粗大的柱状晶，如图3a所示示；另一部分为再热焊缝金属，由于焊接热输入小，焊层厚度小，受到焊接热循环作用时，大部分柱状晶被打碎成为等轴晶，如图3b所示。

根据NB/T47014《承压设备焊接工艺评定》，当进行低于下转变温度的焊后消应力热处理时，这一温度低于焊缝金属的相变临界温度Ac1，组织不发生变化。

若焊后热处理温度高于临界相变点Ac1，且仅高20～30℃时，刚刚进入α+γ两相区就会发生铁素体（或贝氏体）向奥氏体的逆转变[6-7]。逆转变奥氏体在晶界形核，当所处两相区温度不高时，由于形核率较低，只发生部分奥氏体形核，并在等温过程中长大，晶粒细小，在随后的冷却过程中，细小的奥氏体再转变成细小的铁素体或贝氏体，经过这一热处理，组织明显发生细化[8-9]。细化晶粒是强化金属材料的有效方法，当晶粒细化，晶界数量增多，在拉伸过程中晶界有效阻碍位错运动，从而提高强度[10-11]。

若焊后热处理温度低于且靠近临界相变点Ac1，相当于高温回火，在回火过程中碳化物析出，使基体中固溶的碳减少，可以起到固溶强化作用的置换元素（如Cr、Mo）减少，固溶强化效果弱化，从而导致焊缝金属的强度下降。

图3 焊缝金属组织Fig.3 Weld metal structure

在本实验中，4种焊缝金属均需经受715℃的焊后热处理，热处理后是否会发生组织固态相变取决于焊缝金属的临界相变温度Ac1[12]。采用经验公式（1）计算4种焊缝金属的临界相变点，结果见表1。

由表1可知，埋弧焊焊缝金属CHW-S9、CHWS11的临界相变点Ac1分别为720.61℃、743.62℃，焊条电弧焊焊缝金属CHH307R的临界相变点为747.80℃，均高于715℃，只有焊条电弧焊焊缝金属CHE607RH的临界相变点为694.29℃，低于715℃，即CHE607RH焊缝金属在焊后热处理过程中组织重新奥氏体化[6]，且因为热处理温度仅高于相变点20℃，从而使得逆转变奥氏体形核较少，因而使焊缝金属细化，组织转变示意如图4所示，热处理后的焊缝金属组织如图5所示。因此，CHE607RH焊缝金属的强度最高，而其他3种焊缝金属的相变临界温度高于热处理温度，在进行热处理时，碳化物的析出使固溶于基体中的碳及置换元素减少，从而使得强度降低。

图4 焊后热处理过程中组织演变示意Fig.4 Schematic diagram of the microstructure evolution during post-weld heat treatment

3 结论

（1）对于需要进行特殊焊后热处理的焊缝金属，要基于固态相变特点选用焊材，以避免焊缝金属强度降低。

（2）焊缝金属的临界相变点Ac1是选择焊接材料的关键参数。Ac1低于焊后热处理温度的焊缝金属，其强度因晶粒细化而提高；Ac1高于焊后热处理温度的焊缝金属，其强度因碳化物析出、固溶于基体中的碳和合金元素减少而降低。因此，应选用Ac1低于焊后热处理温度的焊接材料。

图5 热处理后的焊缝金属组织Fig.5 Weld metal structure after heat treatment