陳忠敏

（中國(guó)水利水電第十四工程局有限公司，云南昆明650032）

SUMITEN610F-TMC鋼焊接接頭消氫及消應(yīng)熱處理比對(duì)分析

陳忠敏

（中國(guó)水利水電第十四工程局有限公司，云南昆明650032）

SUMITEN610F-TMC鋼屬低碳高強(qiáng)度鋼，強(qiáng)度等級(jí)610 MPa，高強(qiáng)鋼焊接工藝參數(shù)的合理性至關(guān)重要。本文通過在相同焊接方法、焊接條件及焊接參數(shù)下，采取分組焊接工藝評(píng)定比對(duì)，進(jìn)行拉伸、沖擊、彎曲、硬度及宏觀金相試驗(yàn)，分析及評(píng)估消氫及消應(yīng)焊后熱處理對(duì)SUMITEN610F-TMC鋼的焊接接頭綜合機(jī)械性能的影響，為該材料的焊后熱處理選擇提供施工經(jīng)驗(yàn)與技術(shù)借鑒。

SUMITEN610F-TMC鋼；焊接接頭；消氫及消應(yīng)熱處理；比對(duì)分析

1　引言

科卡科多辛克雷（Coca codo Sinclair簡(jiǎn)稱CCS）水電站工程共布置2條壓力管道，1管4機(jī)，主管進(jìn)口內(nèi)徑5.2m，支管出口內(nèi)徑2.6m，工程量約為10000t，其中岔管管壁最厚88 mm，肋板最大厚度170 mm。壓力鋼管材料采用日本住友金屬工業(yè)株式會(huì)社SUMITEN610鋼，鋼板厚度100 mm以下按TMCP（控溫控軋）狀態(tài)交貨，材料牌號(hào)SUMITEN610F-TMC；鋼板厚度100 mm以上按QT（調(diào)質(zhì)）狀態(tài)交貨，材料牌號(hào)SUMITEN610Z。該材料含碳量、碳當(dāng)量及裂紋敏感性低，焊接性能好，強(qiáng)度等級(jí)610 MPa。

CCS電站主合同約定：該電站所有設(shè)計(jì)及施工項(xiàng)目均采用美國(guó)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。SUMITEN610鋼未收集在ASME規(guī)范材料標(biāo)準(zhǔn)中，無法對(duì)應(yīng)規(guī)范中的鋼板類別號(hào)，焊后熱處理的選擇無技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)可供參考。施工前，業(yè)主及咨詢要求鋼管所有對(duì)接焊縫進(jìn)行600℃×2 h焊后熱處理消應(yīng)（PWHT），中國(guó)承建方建議高強(qiáng)鋼不宜做焊后熱處理消應(yīng)［1］，焊后消氫處理可以一定程度減小高強(qiáng)鋼的焊接殘余應(yīng)力［2］，在選取相互匹配的焊材和合適的焊接工藝情況下，進(jìn)行200℃×2 h的消氫后熱處理，即可獲得合格的焊接接頭。但業(yè)主及咨詢堅(jiān)持己見，無法說服。

經(jīng)與業(yè)主及咨詢協(xié)商，采取分組焊接試驗(yàn)比對(duì)方法決定是否進(jìn)行焊后高溫?zé)崽幚恚合嗤附臃椒?、焊接條件及焊接參數(shù)下在試板上施焊，焊后1組進(jìn)行200℃×2 h的消氫處理，另1組進(jìn)行600℃×2 h熱處理消應(yīng)，消氫及消應(yīng)處理采用履帶式電加熱塊加熱，焊接試塊加工后在厄瓜多爾基多工業(yè)大學(xué)進(jìn)行拉伸、沖擊、彎曲、硬度及宏觀金相試驗(yàn)。

本文依托CCS水電站焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)，對(duì)SUMITEN610F-TMC鋼焊接試板的焊縫及熱影響區(qū)進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)比對(duì)，分析及評(píng)估消氫及消應(yīng)熱處理對(duì)焊接接頭綜合性能的影響，為該材料的焊后熱處理選擇提供施工經(jīng)驗(yàn)與技術(shù)借鑒。

2　焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)項(xiàng)目及方法

焊接方法采用焊條電弧焊（SMAW）、氣體保護(hù)焊（GMAW）及埋弧焊（SAW）三種方法分別施焊，母材SUMITEN610F-TMC，焊接材料為日鐵住金溶接工業(yè)株式會(huì)社焊材：NITTETSU L-62CF（焊條）、NITTETSU Y-204B（埋弧焊絲）、NITTETSU YM-60C（氣保焊絲）。焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)項(xiàng)目見下頁表1，評(píng)定方法及檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)按ASME《鍋爐及壓力容器規(guī)范第Ⅸ卷焊接和釬焊評(píng)定》及ASTM E18《金屬材料洛氏硬度的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》執(zhí)行，評(píng)定項(xiàng)目為拉伸、彎曲、沖擊、硬度及宏觀金相。

3　試驗(yàn)對(duì)比分析

對(duì)接坡口試驗(yàn)的取樣位置見下頁圖1，試樣加工后進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)，根據(jù)基多工業(yè)大學(xué)的技術(shù)報(bào)告，進(jìn)行各項(xiàng)試驗(yàn)對(duì)比分析。

表1　焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)項(xiàng)目

表2　拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)與結(jié)果

圖1　對(duì)接坡口焊取樣位置圖

3.1拉伸試驗(yàn)

拉伸試驗(yàn)檢測(cè)按ASME第Ⅸ卷QW-150執(zhí)行，試驗(yàn)數(shù)據(jù)及結(jié)果見表2。

除02組的拉伸強(qiáng)度不合格外，其他組號(hào)的拉伸試驗(yàn)均合格。為避免試驗(yàn)出現(xiàn)偶然因素，對(duì)01及02組再次補(bǔ)充取樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)對(duì)比，01組號(hào)拉伸試驗(yàn)實(shí)測(cè)值分別為690 MPa、802 MPa；02組號(hào)實(shí)測(cè)值分別為578 MPa、585 MPa，補(bǔ)充試樣的拉伸試驗(yàn)依然是02組不合格，排除了試驗(yàn)發(fā)生的偶然因素。

數(shù)據(jù)分析：試驗(yàn)數(shù)據(jù)說明試樣進(jìn)行焊后熱處理消應(yīng)后，拉伸強(qiáng)度敏感度高，強(qiáng)度波動(dòng)大，穩(wěn)定性差。拉伸試驗(yàn)對(duì)比情況見圖2所示。

圖2　拉伸試驗(yàn)對(duì)比示意圖

3.2彎曲試驗(yàn)

彎曲試驗(yàn)檢測(cè)按ASME第Ⅸ卷QW-160執(zhí)行，試驗(yàn)結(jié)果為所有試樣的導(dǎo)向彎曲試驗(yàn)均合格。

試驗(yàn)分析：焊后熱處理消應(yīng)對(duì)試樣彎曲無明顯影響。

3.3沖擊試驗(yàn)

沖擊試驗(yàn)檢測(cè)按ASME第Ⅸ卷QW-170執(zhí)行，試驗(yàn)數(shù)據(jù)及結(jié)果見下頁表3及表4。

數(shù)據(jù)分析：在0℃及-20℃時(shí)，消氫處理的試樣沖擊韌性均比熱處理消應(yīng)的試樣高，表明熱處理消應(yīng)對(duì)試樣的沖擊韌性有顯著的下降，數(shù)據(jù)比對(duì)情況見圖3～圖6。

圖4　-20℃韌性試驗(yàn)（焊縫區(qū)）數(shù)據(jù)對(duì)比圖

圖5　 0℃韌性試驗(yàn)（熱影響區(qū)）數(shù)據(jù)對(duì)比圖

圖6　 0℃韌性試驗(yàn)（焊縫區(qū)）數(shù)據(jù)對(duì)比圖

3.4硬度試驗(yàn)

硬度試驗(yàn)檢測(cè)按ASTM E18《金屬材料洛氏硬度的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》執(zhí)行，分別在母材、熱影響區(qū)、焊縫區(qū)進(jìn)行硬度測(cè)試，每組試樣測(cè)試3行13列，根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)繪圖，見圖7～圖10。

圖7　 01與02組的硬度對(duì)比圖

圖8　 03與04組的硬度對(duì)比圖

圖9　 05與06組的硬度對(duì)比圖

圖10　 07與08組的硬度對(duì)比圖

數(shù)據(jù)分析：根據(jù)圖7～圖10所示，顯而易見，焊后熱處理消應(yīng)后的試樣硬度有所降低。

3.5宏觀金相檢驗(yàn)

宏觀金相檢驗(yàn)按ASME第Ⅸ卷QW-183執(zhí)行，檢驗(yàn)情況為所有試樣的焊縫與母材基體熔合較好，焊縫區(qū)域未發(fā)現(xiàn)缺陷，其中第10組試樣的焊縫完好，第2組試樣的斷裂位置發(fā)生在基體與焊縫熔合處，其他試樣斷裂位置發(fā)生在基體材料處。

數(shù)據(jù)分析：宏觀金相顯示，所有的完整焊縫試樣中母材與焊接材料熔合良好，在焊縫區(qū)域無任何缺陷存在。但02組拉伸試驗(yàn)的斷口位置在母材與焊縫之間的熔合處，且低于母材抗拉強(qiáng)度，說明試樣拉伸

表30　℃沖擊試驗(yàn)數(shù)據(jù)與結(jié)果

表4　-20℃沖擊試驗(yàn)數(shù)據(jù)與結(jié)果

強(qiáng)度對(duì)熱處理消應(yīng)敏感性高且波動(dòng)較大。

4　結(jié)論

通過焊接工藝對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)論如下：

（1）SUMITEN610F-TMC鋼在選取相互匹配的焊材和合適的焊接工藝情況下，進(jìn)行200℃×2h的消氫處理，即可獲得合格的焊接接頭。

（2）在相同焊接參數(shù)條件下，焊后消氫處理比熱處理消應(yīng)的焊接接頭性能好。實(shí)施熱處理消應(yīng)后，焊接接頭性能降低，主要體現(xiàn)為抗拉強(qiáng)度敏感性高且波動(dòng)較大，沖擊韌性顯著降低。

（3）為保證良好的焊接接頭性能，規(guī)避導(dǎo)致焊接接頭強(qiáng)度不穩(wěn)定及韌性降低的風(fēng)險(xiǎn)，SUMITEN610F-TMC鋼焊接后不宜實(shí)施焊后熱處理消應(yīng)。

（4）焊接工藝評(píng)定（消氫處理狀態(tài)下）試驗(yàn)各項(xiàng)指標(biāo)均合格；預(yù)焊接工藝規(guī)程通過焊接工藝評(píng)定驗(yàn)證，具備正確性及指導(dǎo)性。

通過焊接對(duì)比試驗(yàn)實(shí)踐證實(shí)：高強(qiáng)鋼當(dāng)做焊后熱處理消應(yīng)時(shí)，溫度控制不好，很容易超過鋼的調(diào)質(zhì)回火溫度或控軋終了溫度，改變其金相組織，從而惡化其性能［1］。最終CCS水電站壓力鋼管焊接只進(jìn)行200℃×2 h的消氫處理，未進(jìn)行600℃×2 h的熱處理消應(yīng)，在保證焊接質(zhì)量的前提下，優(yōu)化焊接工藝參數(shù)，有效提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，施工速度得到顯著提高。

［1］GB 50766-2012水電水利工程壓力鋼管制作安裝及驗(yàn)收規(guī)范［S］.

［2］薛翠翠，李振崗，張建勛.焊后消氫處理工藝對(duì)高強(qiáng)鋼焊接殘余應(yīng)力的影響［J］.焊管，2013（10）.

TG40

B

1672-5387（2016）09-0049-05

10.13599/j.cnki.11-5130.2016.09.017

2016-06-03

陳忠敏（1970-），女，高級(jí)工程師，從事水工金屬結(jié)構(gòu)制造及安裝工作。