（南京鋼鐵股份有限公司 研究院，江蘇 南京 210035）

0 前言

焊接材料選用的基本原則是：形成的焊縫金屬其焊態(tài)的力學性能（如強度及韌性）與母材相匹配[1]。但是在生產(chǎn)實踐中，通過焊接工藝連接成結構件后，焊接接頭因工作環(huán)境或其他需要進行特殊熱處理，熱處理后的焊縫金屬力學性能惡化，不能與母材相匹配[2]，成為實際生產(chǎn)中的技術難題之一，需要從理論上指導焊接材料選擇。

通常的焊后熱處理是消應力熱處理，消除因焊接熱脹冷縮而存在于焊接接頭中的熱應力，其溫度較低，不會使焊縫金屬發(fā)生固態(tài)相變[3]。而特殊熱處理的溫度高于消應力處理溫度，可能達到回火溫度，此時雖未發(fā)生相變，但會使焊縫金屬的碳化物析出[4]，引起力學性能變化。

對于需要進行特殊焊后熱處理的焊縫金屬，其焊接材料的選用成為制作容器產(chǎn)品合格的關鍵。本研究基于固態(tài)相變及其特點，以SA387Cr11CL2容器鋼為實驗材料，選用4種不同的焊接材料進行實驗，分析組織變化，說明選用適用于特殊焊后熱處理的焊接材料的基本思路。

1 實驗材料及方法

母材為SA387Cr11CL2容器鋼，厚度51 mm。選用4種焊接材料，分別為埋弧焊焊絲CHW-S9、CHW-S11，直徑均為φ4.0 mm；電焊條CHH307R、CHE607RH，直徑均為φ3.2 mm，化學成分如表1所示。X型坡口，坡口角度60°，如圖1所示。采用埋弧焊和焊條電弧焊，埋弧焊熱輸入38～40 kJ/cm，焊條電弧焊熱輸入28～30 kJ/cm，制備4個焊接接頭。焊后進行熱處理，熱處理工藝如圖2所示，以平均速度130℃/s加熱到715℃，保溫360 min，然后空冷到室溫。

表1 4種實驗焊縫金屬的化學成分及Ac1Table 1 Chemical composition of four experimental welding metal

圖1 坡口形式Fig.1 Groove type

圖2 焊后熱處理工藝示意Fig.2 Curve of post-weld heat treatment process

對焊后熱處理的4個焊接接頭進行室溫拉伸試驗，試樣為全厚度板狀，尺寸51mm×25mm×380mm，測定焊接接頭的強度。對焊縫金屬進行顯微組織分析。顯微組織試樣按照標準進行研磨、拋光和腐蝕，在型號為B*51M的Olympus高倍聚焦光學顯微鏡上觀察顯微組織。

2 實驗結果與分析

2.1 4個焊接接頭的室溫拉伸實驗結果

埋弧焊CHW-S9、CHW-S11焊接接頭、焊條電弧焊CHH307R、CHE607R焊接接頭的室溫拉伸實驗結果如表2所示。結果表明：焊條電弧焊CHWS9、CHW-S11和埋弧焊CHH307R焊接接頭的拉伸均斷在焊縫部位，即焊縫金屬的強度低于母材，而CHE607R焊接接頭拉伸斷在母材，焊縫金屬強度高于母材，焊接接頭強度符合國標要求[5]。

表2 焊接接頭室溫拉伸結果Table 2 Tensile test results of welding joint at room temperature

2.2 焊縫金屬組織在焊后熱處理過程中的演變及對焊縫金屬強度的影響

多層多道焊縫金屬由兩部分組成：一部分為直接凝固的焊縫金屬，是粗大的柱狀晶，如圖3a所示示；另一部分為再熱焊縫金屬，由于焊接熱輸入小，焊層厚度小，受到焊接熱循環(huán)作用時，大部分柱狀晶被打碎成為等軸晶，如圖3b所示。

根據(jù)NB/T47014《承壓設備焊接工藝評定》，當進行低于下轉(zhuǎn)變溫度的焊后消應力熱處理時，這一溫度低于焊縫金屬的相變臨界溫度Ac1，組織不發(fā)生變化。

若焊后熱處理溫度高于臨界相變點Ac1，且僅高20～30℃時，剛剛進入α+γ兩相區(qū)就會發(fā)生鐵素體（或貝氏體）向奧氏體的逆轉(zhuǎn)變[6-7]。逆轉(zhuǎn)變奧氏體在晶界形核，當所處兩相區(qū)溫度不高時，由于形核率較低，只發(fā)生部分奧氏體形核，并在等溫過程中長大，晶粒細小，在隨后的冷卻過程中，細小的奧氏體再轉(zhuǎn)變成細小的鐵素體或貝氏體，經(jīng)過這一熱處理，組織明顯發(fā)生細化[8-9]。細化晶粒是強化金屬材料的有效方法，當晶粒細化，晶界數(shù)量增多，在拉伸過程中晶界有效阻礙位錯運動，從而提高強度[10-11]。

若焊后熱處理溫度低于且靠近臨界相變點Ac1，相當于高溫回火，在回火過程中碳化物析出，使基體中固溶的碳減少，可以起到固溶強化作用的置換元素（如Cr、Mo）減少，固溶強化效果弱化，從而導致焊縫金屬的強度下降。

圖3 焊縫金屬組織Fig.3 Weld metal structure

在本實驗中，4種焊縫金屬均需經(jīng)受715℃的焊后熱處理，熱處理后是否會發(fā)生組織固態(tài)相變?nèi)Q于焊縫金屬的臨界相變溫度Ac1[12]。采用經(jīng)驗公式（1）計算4種焊縫金屬的臨界相變點，結果見表1。

由表1可知，埋弧焊焊縫金屬CHW-S9、CHWS11的臨界相變點Ac1分別為720.61℃、743.62℃，焊條電弧焊焊縫金屬CHH307R的臨界相變點為747.80℃，均高于715℃，只有焊條電弧焊焊縫金屬CHE607RH的臨界相變點為694.29℃，低于715℃，即CHE607RH焊縫金屬在焊后熱處理過程中組織重新奧氏體化[6]，且因為熱處理溫度僅高于相變點20℃，從而使得逆轉(zhuǎn)變奧氏體形核較少，因而使焊縫金屬細化，組織轉(zhuǎn)變示意如圖4所示，熱處理后的焊縫金屬組織如圖5所示。因此，CHE607RH焊縫金屬的強度最高，而其他3種焊縫金屬的相變臨界溫度高于熱處理溫度，在進行熱處理時，碳化物的析出使固溶于基體中的碳及置換元素減少，從而使得強度降低。

圖4 焊后熱處理過程中組織演變示意Fig.4 Schematic diagram of the microstructure evolution during post-weld heat treatment

3 結論

（1）對于需要進行特殊焊后熱處理的焊縫金屬，要基于固態(tài)相變特點選用焊材，以避免焊縫金屬強度降低。

（2）焊縫金屬的臨界相變點Ac1是選擇焊接材料的關鍵參數(shù)。Ac1低于焊后熱處理溫度的焊縫金屬，其強度因晶粒細化而提高；Ac1高于焊后熱處理溫度的焊縫金屬，其強度因碳化物析出、固溶于基體中的碳和合金元素減少而降低。因此，應選用Ac1低于焊后熱處理溫度的焊接材料。

圖5 熱處理后的焊縫金屬組織Fig.5 Weld metal structure after heat treatment