800MPa級高強鋼焊縫金屬熱處理組織與性能分析

李睿

摘? 要：在高強結構鋼焊接過程中，為了保障強韌性，在焊后需要采取熱處理措施，優化焊縫金屬的性能。為了保障高強鋼產品的質量，優化整體使用性能，本文分析了800MPa級高強鋼焊縫金屬熱處理組織與性能，根據試驗可以確定焊縫金屬焊態組織主要包括貝氏體和馬氏體以及奧氏體組織，而利用調制熱處理措施之后將會改變焊縫組織的成分，逐漸增加回火問題之后，焊縫中的奧氏體將會越來越少，同時析出長大馬氏體中的碳化物，并且會呈現出球化趨勢。升高回火溫度之后，焊縫部位的強度逐漸降低，但是會提高整體結構的韌性。

關鍵詞：800MPa級;高強鋼焊縫;金屬熱處理組織;性能分析

800MPa級高強鋼具有較高的強度和韌性的優勢，因此在各個工程中廣泛利用，在使用800MPa級高強鋼的過程中，焊縫部位承受較大的荷載，需要引起相關工作人員的重視。在實際生產過程中，需要根據實際情況合理選擇焊接加工技術，保障整體焊接加工質量，因此提高整體鋼結構的質量。確定焊接結構性能的過程中，需要分析分析材料的韌性和強度等，進一步提高800MPa級高強鋼結構焊接接頭的韌性，提高產品的質量，并且保障產品構件使用過程中的安全性。

當前在鋼結構生產過程中廣泛利用調質熱處理措施，但是利用這一措施將會增加焊接熱循環的負面影響，導致熱影響區存在軟化和脆化等問題，通常情況下鋼結構具有較高的強度級別，將會反應出顯著的軟化作用。解決這一問題，一方面在焊后避免利用熱處理措施，而在焊接過程中，需要采取有效的措施避免傳輸熱量。另一方面在焊后開展調質熱處理，及時將應力消除，而且可以優化顯微組織和整體性能。

一、試驗材料和工藝

在試驗過程中選用10Ni5CrMoV，主要組織為回火索氏體。在焊接過程中利用熔化氣體保護焊，在焊接過程中利用全自動焊機。焊接材料選用實心焊絲。保護氣體為Ar和CO2，控制氣體流量在22L/min范圍內，控制層間溫度在120～130℃，焊接速度控制在28cm/min，控制焊接熱輸出在15kJ/cm范圍內[1]。

選用的焊接接頭調制熱處理參數為920℃，在持續保溫3h之后利用水淬火，選用的回火溫度分別是560℃、580℃、600℃、620℃，在保溫2h之后空冷到室溫。為了精確性的分析處理結果，工作人員可以利用顯微鏡觀察焊縫組織變化情況，利用3%的硝酸酒精作為侵蝕劑。利用拉伸試驗機根據國家標準開展拉伸試驗。利用自動沖擊試驗機根據國家標準組織沖擊試驗。在沖擊試驗過程中，母材和焊縫的試驗溫度是不同的，而試驗溫度直接關系到試驗結果的客觀性，在母材沖擊試驗過程中利用-20℃的溫度，在焊縫沖擊試驗中選用-50℃的溫度。

二、試驗結果和分析

（一）顯微組織

焊縫金屬焊態組織主要包括貝氏體組織，焊縫金屬化學成分包括C、Si、Mn等。降低鋼中C元素含量到0.05%范圍內之后，這種鋼在高溫奧氏體化之后，在冷卻過程中不會發生兩相分解情況，可以直接轉變過冷奧氏體為不同形態的鐵元素，同時會產生少量的奧氏體。在超低碳環境中，因為碳含量比較低，因此突出鋼中的貝氏體組織的特殊性，在試驗過程中因為含碳量屬于超低碳標準，需要開展金相分析和透射電鏡分析等，焊縫組織主要包括板條狀的貝氏體和下貝氏體以及M-A組元等。

利用920℃的溫度持續淬火三個小時，這時焊縫金屬組織成分發生改變，其中包括板條馬氏體和部分奧氏體等。因為回火溫度非常高，而且經歷較長的保溫時間，大幅度降低了位錯密度。不斷提高回火溫度之后，焊縫中馬氏碳化物將會被析出，并且會不斷長大，呈現出球化趨勢。但是還有沒有分解的參與奧氏體。M-A組元在焊態焊縫中占據較大的比例，利用調質熱處理措施之后，焊縫中部分M-A組元將會逐漸分解，但是并不會徹底去除，因此在焊縫中仍舊存在一些M-A組元。提高回火溫度之后，將會減少焊縫中的M-A組元的數量，同時會增加碳化物數量[2]。

（二）力學性能

為了提高焊縫結構的韌性和強度等，需要優化協調調質態的焊縫組織，對比調質態焊縫，提高回火溫度之后，將會降低服務強度和抗拉強度。升高調質熱處理回火溫度之后，將會降低硬度，同時會降低焊縫金屬的硬度。升高回火溫度的過程中，馬氏體碳化物會因此析出，有效控制錯誤密度。此外焊縫組織碳化物球化和M-A組元分解等也關系到產品的質量，關系到整體結構的硬度和強度等。

下圖是焊態和調質態焊縫低溫沖擊試驗的結果。逐漸提高回火溫度之后，焊縫結構的抗沖擊能力因此提高。例如回火溫度為560℃，斷口為解理，這時為最低韌性。如果回火溫度是580℃，斷口為解理和韌窩，整體韌性比較低。如果回火溫度是600℃，斷口包含韌窩和好部分解理，整體韌性比較高。當回火溫度是620℃，斷口呈現出韌窩狀，整體韌性非常高。綜上所述，在判斷階段可以結合焊縫斷口的形態，可以將焊縫沖擊吸收功變化趨勢反映出來。雖然分解奧氏體將會降低焊縫韌性，但是析出并且長大回火馬氏體中碳化物，并且進一步分解M-A組元，將會提高焊縫低溫韌性。因此隨著回火溫度提高，將會隨之提高調制處理態焊縫的韌性[3]。

結束語：

通過上文分析，可以確定800MPa級高強鋼焊縫金屬焊態組織是板條狀的貝氏體和下貝氏體以及少量的粒狀貝氏體混合物。經過調質之后，焊縫組織主要包括高溫回火馬氏體。不斷提高回火溫度之后，將會析出并且長大焊縫金屬中碳化物。而且會減少參與奧氏體和M-A組元含量。升高回火溫度之后，將會降低調制態焊縫的強度，升高回火溫度之后將會提高韌性，出現這一情況是因為降低了板條錯位密度，同時分解了M-A組元。升高回火溫度之后，將會逐漸降低調制態焊縫的硬度，這是因為析出了組織中的碳化物，同時降低了錯位密度。

參考文獻：

[1]張天理，武雯，于航，林三寶，栗卓新.合金元素對高強鋼焊縫金屬貝氏體形成及力學性能影響的研究進展[J].中國機械工程，2021，32（14）： 1743-1756.

[2]蔡正洪，殷學成，方芳.烏東德水電站蝸殼800 MPa級高強鋼焊縫的無損檢測[J].西北水電，2021（02）：64-67.

[3]官春平.Ni對600 MPa級高強鋼焊縫組織和性能的影響[J].電焊機，2017，47（11）：120-124.