去应力退火对Q960E钢焊接接头残余应力与力学性能影响的研究

周陆军，崔淼，吕金波，张习强

徐州重型机械有限公司 江苏徐州 221100

1 序言

Q960E钢因具有超高屈服强度及抗拉强度，被广泛应用于工程机械领域。在Q960E钢结构件焊接过程中，因加热不均匀而使焊后不可避免地产生焊接残余应力。由于残余应力的存在对焊件结构的脆性破坏、疲劳破坏、应力腐蚀开裂以及尺寸稳定性都有不良的影响[1]，所以开展Q960E钢焊接接头应力研究具有极其重要的意义。

目前，针对焊件常用的去应力方法有热处理法、振动时效法、锤击法、静拉伸法及超声波法等[2-5]。在上述去应力方法中，热处理法因具有效率高、易实施、效果好等优势，在工业生产中广泛应用[6]，因此，本次试验将采用热处理方法开展Q960E钢焊接接头去应力工艺研究。

2 试验材料及方法

2.1 试板焊接

试验所用母材为Q960E调质钢板，填充金属为ER50-6实芯焊丝（φ1.2mm）、GM120实芯焊丝(φ1.2mm)，母材与焊接材料化学成分及力学性能见表1～表4。

表1 Q960E钢化学成分（质量分数） （%）

表4 GM120实芯焊丝力学性能

对接板焊件如图1所示，坡口形式如图2所示。采用熔化极气体保护焊进行焊接，焊接层数如图3所示，焊接参数见表5。焊接结束后，对焊接试板进行超声波检测。

表5 焊接参数

图1 对接板焊件

图2 焊件坡口形式

图3 焊道层数

表2 Q960E钢力学性能

表3 GM120实芯焊丝化学成分（质量分数） （%）

2.2 试板应力检测及热处理

采用箱式炉对焊件进行退火热处理，试验选取500℃和550℃两种热处理温度，热处理工艺曲线如图4所示。采用盲孔法对焊件进行退火前后横向（与焊缝垂直方向）残余应力检测，如图5所示，检测点如图6所示。

图4 热处理工艺曲线

图5 盲孔法检测残余应力

图6 残余应力检测点示意

2.3 试板力学性能测试

按照NB/T 47014—2011《承压设备焊接工艺评定》要求，对焊件进行拉伸、弯曲、冲击试验取样并测试。单个焊件取样数量见表6。

表6 单个焊件取样数量

3 试验结果

3.1 去应力退火对焊接接头残余应力的影响

图7～图10为不同退火温度下，焊缝区和热影响区退火前后应力值。由此可知，在500℃、550℃下退火后，焊缝区和热影响区应力值较退火前均降低，且退火前后应力主要为压应力。经计算，在500℃退火温度下，焊缝区和热影响区测点平均应力值分别降低88%、53%；在550℃退火温度下，焊缝区和热影响区测点平均应力值分别降低71%、55%。这可能是因为在退火状态下，焊接接头处晶格畸变程度降低，从而导致内部应力降低。

图7 退火前后焊缝区应力值（550℃）

图8 退火前后热影响区应力值（550℃）

图10 退火前后热影响区应力值（550℃）

3.2 去应力退火对焊接接头抗拉强度的影响

两种退火温度下，拉伸断口均处于焊缝区，图11为拉伸断口位置示意，图12为拉伸断口形貌。焊件退火前后抗拉强度见表7，由表7可知，在500℃、550℃下退火后，焊件抗拉强度均略有降低，且退火后抗拉强度＜940MPa，这是因为焊接接头在退火状态下，碳发生扩散，导致珠光体增多，马氏体和贝氏体含量下降，从而使焊接接头强度降低。

表7 焊件退火前后抗拉强度

图9 退火前后焊缝区应力值（550℃）

图11 拉伸断口位置示意

图12 拉伸断口形貌

3.3 去应力退火对焊接接头弯曲性能的影响

在500℃、550℃退火条件下，焊件焊缝区经面弯及背弯均出现裂纹，弯曲性能有所下降。这是因为焊接接头在退火状态下，晶界间析出渗碳体，导致晶界脆化，从而使弯曲性能下降。

表8 退火前后焊件弯曲性能

3.4 去应力退火对焊接接头冲击性能的影响

图13 ～图16为不同退火温度下，焊缝区和热影响区退火前后的冲击吸收能量。由此可知，在500℃、550℃下退火后，焊缝区和热影响区冲击吸收能量较退火前均降低。经计算，在500℃退火温度下，焊缝区和热影响区测点平均应力值分别降低18%、10%；在550℃退火温度下，焊缝区和热影响区测点平均应力值下降更多，分别降低20%、48%；这是因为焊接接头在退火状态下，晶界间析出渗碳体，导致韧性下降，且随退火温度升高，晶界间析出更多渗碳体，从而使冲击性能进一步下降。

图13 退火前后焊缝区冲击吸收能量（500℃）

图14 退火前后热影响区冲击吸收能量（500℃）

图15 退火前后焊缝区冲击吸收能量（550℃）

图16 退火前后热影响区冲击吸收能量（550℃）

4 结束语

1） Q960E钢焊接接头去应力退火后，焊缝区和热影响区应力值较退火前降低，在500℃退火时，焊缝区和热影响区平均应力值分别降低88%、53%，在550℃退火时，焊缝区和热影响区平均应力值分别降低71%、55%。这是因为在退火状态下，焊接接头处晶格畸变程度降低，从而导致内部应力降低。

2）Q960E钢焊接接头去应力退火后，综合力学性能降低，主要表现为：①抗拉强度降低4.9%～7.7%，这是因为焊接接头在退火状态下，碳发生扩散，导致珠光体增多，马氏体和贝氏体含量下降，从而导致强度降低。②弯曲性能降低，且在500℃退火时，焊缝区和热影响区平均冲击吸收能量分别降低18%、10%，在550℃退火时，焊缝区和热影响区平均冲击吸收能量分别降低20%、48%。这是因为焊接接头在退火状态下，晶界间析出渗碳体，导致弯曲性能和冲击性能下降，且随退火温度升高，晶界间析出渗碳体增多，从而使性能进一步下降。