焊接热循环对低合金钢组织及性能的影响

(1.中广核工程有限公司，广东深圳 518124;2.上海电气核电设备有限公司,上海 201306)

0 引言

低合金钢具有优异的综合力学性能、抗辐照性能以及较低的制造成本，作为核岛主设备的结构材料广泛应用于压力容器、蒸汽发生器以及稳压器的制造[1-6]。核岛主设备一回路的服役环境为高温高压水介质，为提高结构材料的耐腐蚀性能，通常会在低合金钢表面堆焊一定厚度的不锈钢或镍基耐蚀层[7-8]。为保证核岛设备运行的持续性，在产品制造过程中对堆焊层的性能提出较高的考核要求，对堆焊层中发现的超标缺陷须完全去除并进行补焊。对于挖除深度达到低合金钢母材的情况，补焊时的多次热循环可能会加速低合金钢性能的退化，因此有必要就补焊过程中低合金钢组织和性能的变化开展研究。本文以SA508Gr.3Cl.2低合金钢为研究对象，分析焊接热循环对其力学性能、组织形貌的影响。

1 试验及方法

1.1 试样制备

试验母材采用低合金钢锻板SA508Gr.3Cl.2，材料的化学成分如表1所示，相应要求值满足ASME规范。采用Gleeble热模拟机进行不同热循环组合下低合金钢材料的组织和性能评价，其热循环参数如表2所示。A(D),B(E),C(F)分别代表低合金钢热影响区的粗晶区、细晶区以及靠近热影响区的母材。第1次热循环模拟低合金钢初次焊接时的热循环，第2,3次热循环分别模拟初焊2次、3次过程中的热循环。试样分为6组，每组2个试样，前3组试样为两次补焊试样，后3组试样为一次补焊试样。每组试样的设计温度曲线和实际温度曲线如图1所示，层间温度250 ℃，升温速度30 ℃/s，降温速度50 ℃/s，其中一个试样直接做冲击试验，另一个试样热处理后再做冲击试验。

表1 SA508Gr.3Cl.2化学成分要求及实测值 %

表2 模拟工艺参数

(a)试样A1,A2(b)试样B1,B2(c)试样C1,C2

(d)试样D1,D2(e)试样E1,E2(f)试样F1,F2

图1 Gleeble热循环曲线

1.2 试样分析

为清晰表征低合金钢的组织形貌，利用电火花线切割制造金相样品，采用400#～2000#砂纸依次磨制、抛光，随后用Vilella′s试剂(1 g苦味酸、5 ml浓盐酸、100 ml酒精)进行腐蚀。利用Axiovert 40MAT光学显微镜(OM)及VEGAXMU扫描电镜(SEM)表征金相试样及冲击断口的显微形貌。热模拟试验完成后，将试样加工成10 mm×10 mm×55 mm的ASTM标准夏比V形缺口冲击试样，V形缺口开在Gleeble热模拟试验的热电偶接入处，即热影响区内温度最高点。使用JB-30B/008摆锤式冲击试验机进行冲击试验，环境温度为-21 ℃。

2 结果和讨论

2.1 试样冲击韧性

图2 Gleeble试样的冲击性能

经不同热循环处理试样的冲击性能如图2所示，其中A1,B1,C1,D1,E1,F1为热循环处理后无焊后热处理试样；A2,B2,C2,D2,E2,F2为经610 ℃×4.5 h热处理后的试样。可以看出，每一组试样中，经过热处理后的试样冲击韧性都优于未处理的试样，尤其是D,E,F三组试样，热处理可显著提升试样的冲击韧性。此外，D,E,F三组试样的冲击性能均高于A,B,C，两者相比较可知，A,B,C三组试样经历了3次1 100 ℃以上的热循环。因此，为保证SA508Gr.3Cl.2低合金钢的冲击韧性，补焊过程中应尽量避免在同一位置经受2次以上的1 100 ℃热循环。

2.2 断口形貌

采用光学显微镜和扫描电子显微镜对冲击断口进行观察。冲击试样断口一般由纤维区、放射区和剪切唇3个部分构成。图3，4分别示出了试样无热处理热模拟试样(D1)和热处理后的热模拟试样(D2)的冲击断口形貌。由宏观形貌可知，经热处理后试样断口的纤维区和剪切唇所占比例较大，即冲击过程中能量消耗较多，其冲击韧性较好。由微观形貌可知，热处理后试样的断口韧窝的尺寸大而深，无热处理试样的断口韧窝较小并且存在较多的脆性断口形貌。根据断口的宏观、微观形貌可知，经热处理后试样韧性得到明显提升。此外，吕晓春等[9]研究了焊接热循环低合金钢临界粗晶区组织和性能的影响，结果表明焊态的热影响区粗晶组织的原奥氏体晶界处生成了项链状的马氏体组织,其韧性较差，使得粗晶区的性能恶化。经过焊后热处理后，马氏体组织转变为回火索氏体，其冲击韧性得到明显的改善。

(a)宏观形貌 (b)微观形貌

图3 无热处理试样冲击断口形貌

2.3 组织形貌

图5,6分别示出了经过两次热循环(试样A)以及一次热循环(试样D)的试样微观形貌。

(a)试样A1(b)试样A2

图5 试样A1和A2微观形貌

由图5(a),6(a)中可以看出，试样A,D的晶粒尺寸分别约为75 μm,35 μm，可知经过两次1 100 ℃热循环可显著增加材料的晶粒尺寸。粗大的晶粒减少了晶界所占的比例，在应力作用下裂纹较易在晶界处萌生、扩展，降低了材料对冲击裂纹扩展的阻碍作用，因此两次热循环后，试样A的冲击能量吸收值低于一次热循环试样D，如图2所示。经热处理后，在晶界、亚晶界均有碳化物析出；此外，热处理可促进位错滑移，有效地提高了基体的韧性[9-10]，因此经过热处理后，试样的冲击吸收能量会有明显提升(见图2)。

(a)试样D1(b)试样D2

图6 试样D1和D2微观形貌

3 结论

本文通过Gleeble热模拟试验，研究了补焊过程中的焊接热循环对SA508Gr.3Cl.2低合金钢组织及性能的影响，得到如下结论。

(1)补焊过程中，多次高温热循环显著降低了SA508Gr.3Cl.2低合金钢的冲击韧性。

(2)多次高温热循环促进了SA508Gr.3Cl.2低合金钢的晶粒尺寸增加，降低了材料的冲击韧性。

(3)焊后热处理可有效提高材料的冲击能量吸收值。