Ni-Cr-Mo低合金结构钢铸件焊接接头金相组织和硬度分析

王全敬

摘要：在焊接工艺评定中，通过对焊接接头的组织分析，为制定焊后热处理提供依据。文中研究了四个焊后热处理工艺，进行了热处理硬度检测实验对比，确定了640℃保温120min的焊后热处理工艺，使焊接接头的硬度控制在22HRC以下，满足了焊接接头的功能和在酸性环境下耐应力腐蚀的要求。

关键词：低合金结构钢;焊接接头;组织;性能

0  引言

随着石油钻井行业向纵深方向发展，石油钻采设备应具有抗硫化氢应力腐蚀的能力，而且随着时间的推移，设备周期性的修理和修复在所难免。设备的维修任务日益加重，美国石油协会已发布相应的钻通设备维修规范，用以规范钻采设备维修市场各参与方的行为。而维修过程中重要部位的修复性堆焊是普遍采用的方式，所以堆焊焊接接头的质量尤为重要。堆焊后热处理温度的选择及其对保证焊接接头质量起到了至关重要的作用。焊接接头既要保证设备功能要求，又要具有抗硫化氢应力腐蚀的能力，保证钻采设备在酸性环境中服役时耐酸性应力腐蚀，确保设备安全可靠。

Ni-Cr-Mo低合金结构钢铸件因其良好的焊接性广泛应用于石油天然气钻采设备的承载件中。因焊接接头的组织和硬度很大程度上决定了承载件的应力腐蚀特性，NACE 0175中对焊接接头的硬度做了严格的规定，不超过22HRC（237HB），组织决定硬度，本文着眼于组织分析，进而制定有效的焊后热处理制度。

1  实验部分

1.1 材料情况

选择生产用料，其化学成分满足设备制造要求。母材的化学成分光谱分析，检验结果列入表1，焊材的化学成分列入表2。

1.2 焊接接头组织分析

以氩弧焊堆焊为例：

准备焊接试板，尺寸240×200×40mm，并经调质处理，热处理参数为870℃保温120min淬火，690℃保温150min回火，调质后的硬度在210-234HBW范围内，满足产品标准要求。

焊接采用自动焊，焊机型号为福尼斯自动焊机。堆焊二层，焊层总厚度4mm。焊前200℃预热，焊后350℃保温2h，随后空气中冷却至室温。

①制备金相试样：从焊接试板上切取焊接接头金相试样，尺寸15×15×20mm，包含原始焊缝、热影响区和母材，4%硝酸酒精腐蚀后形貌见图1。经腐蚀的金相试样上可见焊缝、热影响区和母材的分界线。

②微观形貌分析：

设备：ZEISS金相显微镜

规格型号：Scope.A1

对图1试样进一步砂纸打磨并抛光，经4%硝酸酒精腐蚀后，放在金相显微镜下分别观察焊材、热影响区和母材的组织，详见图2。

图2中，在热影响区可见板条状的马氏体组织，母材为回火索氏体组织。

③显微硬度检测：

设备：维氏硬度计

规格型号：HV-1000

在热影响区的马氏体处进行显微硬度测量，载荷0.3kg，硬度值为441HV0.3，详见图3。其余部分的硬度测量值分别为：焊材240HV0.3，母材232HV0.3。

1.3 焊后热处理

焊后热处理实验的四个工艺方案、热影响区的显微硬度检测及按ASTM E140《金属硬度转换表》换算成布氏硬度的检测结果详见表3。

2  实验结果、分析与讨论

从图2和图3中可以得出结论，焊接接头组织最劣处位于热影响区。图3中的热影响区中存在大量的马氏体组织，马氏体为不稳定组织，且硬度高、强度高、塑性低、韧性低，增加了材料的脆性。在酸性环境下使用时，马氏体是在酸性环境下不耐应力腐蚀的组织。

对上述焊接接头焊后热处理工艺参数及检验结果类比，表3中方案1和方案2的硬度值仍然高于标准要求值，方案3和方案4硬度检测值差距不大，均低于HRC22（237HB），从生产周期、排产、效率等综合考虑，选择方案3，既能满足要求，又不造成能源的浪费。

3  结论

①焊前预热和焊后保温的措施不足以改善焊接接头热影响区的组织和硬度。应随后进行焊后热处理，适当的焊后热处理温度和时间能够降低热影响区的硬度，满足焊接接头硬度HRC22以下的要求。②焊后热处理温度选用640℃能够满足标准要求，120min为合理的保温时间。

参考文献：

[1]薄国公，王勇，韩涛，李立英，等.焊后热处理对 ASTM 4130 钢焊接热影响区组织与性能的影響[J].金属热处理，2011，36（2）：83-87.