焊后热处理对O9MnNiOR钢焊接接头组织与性能的影响

焦洪军  马世成  周丙峰  李大伟 赵向儒 刘西光

（德州市特种设备检验研究院德州  255000）

摘要：采用扫描电子显微镜、硬度试验和冲击试验等方法，通过比较09MnNiDR钢在焊态及焊后热处理条件下焊接接头组织性能的变化，着重研究了焊后热处理对焊接接头M-A组元的影响以及M-A组元对焊接接头韧性的影响。结果表明，09MnNiDR钢在焊态条件下焊缝和HAZ中均有M-A组元出现，而经焊后热处理后大部分M-A组元分解；焊后热处理对焊接接头硬度影响不大，但明显改善韧性，而M-A组元对冲击韧性危害很大，基体组织的变化和M-A组元的分解是焊接接头韧性改变的原因，其中后者是焊接接头韧性改善的最主要原因。

关键词：焊后热处理09MnNiDR钢M-A组元冲击韧性

  焊后热处理（简称PWHT）是锅炉及压力容器等焊接结构产品制造的工序之一。焊后热处理不仅可以消除焊残接佘应力，而且可以降低焊接接头的硬度，改善力学性能等，成为保障压力容器设备质量的一个重要途径。

  09MnNiDR钢是我国自主开发的一种低温压力容器用钢，因其具有良好的低温韧性，在低温压力容器中获得广泛应用。09MnNiDR钢为满足-70℃下的使用性能需要进行焊后热处理。关于09MnNiDR焊接粗晶区性能及焊后热处理方面的研究已有报道，其中对09MnNiDR钢焊后热处理的研究多集中在焊后热处理温度方面，很少有人探讨焊后热处理对焊接接头M-A组元的影响，本文通过比较09MnNiDR在焊态和焊后热处理条件下的焊接接头组织与性能的变化，重点研究了焊后热处理对焊接接头M-A组元变化的影响以及M-A组元对焊接接头韧性的影响。

1试验材料及方法

试验所用材料为热轧09MnNiDR钢又经正火+回火处理的钢板，其化学成分见表1。焊接试验所用焊丝为H09MnNiDR低温钢用镀铜气保焊丝，其化学成分见表2。

本次试验焊接方法为埋弧焊，所用焊机型号为林肯双丝埋弧焊机，采用直流反接。焊缝垂直于轧向，焊接钢板尺寸为350mm×120mm，焊接坡口为V形，坡口焊前保持清洁干燥。焊剂使用前在300～350℃下保温烘干2h，并保持干净。并将其中的一块焊后钢板进行焊后热处理(PWHT)，其工艺如图1所示。

  分别从焊接钢板和焊后热处理钢板上截取一定尺寸的小样，依次经镶嵌、打磨、抛光后并用4%的硝酸酒精腐蚀一定的时间，在FEI Quanta 600扫描电子显微镜观察其显微组织；对焊接接头从焊缝到母材的显微硬度进行测定，测定距离间隔为0.5mm，所用显微硬度计为FV-700微观维氏硬度计，载荷50gf，加载时间lOs;分别将焊接态和焊后热处理态条件下的试样加工为lOmm×lOmm×55mm的V型缺口标准冲击试样，然后按照GB／T 229-2007的要求在INSTRON 9250HV落锤冲击试验机上进行70℃低温冲击试验。

2试验结果及分析

2.1显微组织分析

图2为焊态、焊后热处理条件下焊缝和HAZ的扫描(SEM)组织，从图2(a)可以看出，焊缝的组织为在针状铁素体基体上分布着块状和长条状的M-A组元；从图2(c)可以看出，焊态的HAZ的组织为在针状铁素体基体上分布着长条状的M-A组元，由此可见，焊态条件下M-A组元不仅出现在焊缝中，也会出现在焊接热影响区；经焊后热处理后的焊缝和HAZ中的组织如图2(b)、图2(d)所示，与焊态条件下相比，晶界上M-A组元区域明显缩小或消失，晶界上只剩下一些疑似未完全分解的M-A组元小颗粒相，有可能是未完全分解的M-A组元；结果表明，焊后热处理后大部分M-A组元分解。

2.2硬度测试分析

图3为焊态和焊后热处理条件下焊接接头显微硬度的比较，在两者情况下，焊接接头硬度变化趋势一致，比较发现，较焊态条件下经焊后热处理后的焊缝、HAZ和母材的硬度都略有下降，主要是在570℃×2h热处理条件下回火进行很不充分，组织仍保留为针状铁素体基体形态，硬度变化很小，只是略有下降；说明焊后热处理对焊接接头的硬度影响不大，同时也说明基体组织的变化对韧性贡献有限。

2,3冲击试验分析

表3为焊态、焊后热处理条件下焊缝和HAZ在-70℃的冲击试验结果，结果表明，焊态和焊后热处理态的焊接接头的冲击功均符合标准。这主要是由于针状铁素体可提高HAZ的力学性能，针状铁素体的相变温度处于晶界铁素体与贝氏体之间，转变时无需铁原子的重新排列，而且与原奥氏体保持共格或半共格关系，并遵循N-W或K-S关系，这种相变往往使针状铁素体中产生较大的应变和位错密度，加之其位向杂乱，位相差小，以大角度晶界分布，具有高密度位错的组织形态，能够较好地阻止裂纹扩展，进而提高材料的韧性。

  从表3还可以看出焊后热处理条件下的焊接接头的冲击功明显优异于焊态条件下的冲击功，因为在焊态条件下出现了对韧性不利的M-A组元。文献[9-11]都认为大块状上的M-A组元对韧性非常不利，当M-A组元呈大块状或者长条状分布在铁素体基体上时，当受外力而发生变形时，强度很高的M-A组元不易发生变形，强度很低的铁素体极易发生变形，由于这种变形的不协调，在M-A组元和基体界面容易产生应力集中，容易萌发生微裂纹，从而成为裂纹的通道，所以M-A组元对冲击韧性特别是低温冲击韧性危害很大。

  焊后热处理后原始奥氏体晶粒尺寸有所长大，而其冲击韧性明显增强，这主要是因为经焊后热处理后M-A组元大部分分解，尺寸都很小，达不到解理断裂的致裂条件。

  基于上述分析，M-A组元对冲击韧性特别是低温冲击韧性危害很大，基体组织的变化和M-A组元的分解是焊接接头韧性改变的原因，其中M-A组元的分解是焊接接头韧性改善的主要原因。

3结论

  1) 09MnNiDR钢在焊态条件下，焊缝和HAZ都有M-A组元出现；而经焊后热处理后大部分M-A组元分解。

  2)焊后热处理对焊接接头硬度影响不大，但明显改善韧性，M-A组元对冲击韧性危害很大，基体组织的变化和M-A组元的分解是焊接接头韧性改变的原因，其中M-A组元的分解是焊接接头韧性改善的主要原因。