孫咸

摘要：探討了鐵研試驗中涉及的耐熱鋼接頭再熱裂紋傾向。結果表明，在消除應力熱處理后BHW35鋼的鐵研試件中發(fā)現了啟裂于接頭根部應力集中處、沿HAZ過熱區(qū)晶界擴展的、止裂于焊縫或HAZ細晶區(qū)的裂紋，其性質屬于再熱裂紋。接頭HAZ粗晶區(qū)顯微組織是再熱裂紋產生的必要條件，而接頭中的拘束應力和氫以及高溫行為則是產生再熱裂紋的充分條件。生產中常用低應力化和低氫化綜合工藝及參數，以及專用焊接材料等措施，使接頭中的應力水平降低，接頭中的氫含量最小化，控制再熱裂紋形成條件，并獲得了較滿意的效果。

關鍵詞：再熱裂紋;耐熱鋼;鐵研試驗;拘束應力;擴散氫

中圖分類號：TG406 文獻標志碼：A 文章編號：1001-2303（2020）08-0007-08

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.08.02

0 ? 前言

為了消除焊接殘余應力、改善組織、去除擴散氫，以及防止結構脆斷及應力腐蝕裂紋，對于某些結構比較復雜、技術要求很高的厚壁壓力容器，如大型電站鍋爐汽包產品，在整個制造過程中要進行多次熱處理，其中包括部組件熱處理、焊接過程中的中間消除應力熱處理及整臺產品的最終熱處理。但是，焊接接頭經過消除應力熱處理后有可能產生再熱裂紋。接頭再熱裂紋的危害性在于，經過無損檢測已經合格的產品，在隨后的熱處理中如果再產生裂紋，生產中往往得不到重視，最終會導致產品報廢。國內外對焊接再熱裂紋的研究非常重視，已經取得了不少成果。一些企業(yè)從產品設計到制造工藝積累了豐富的經驗。但是，這并不意味著在所有情況下都能獲得滿意的接頭性能。在一些情況下，比如某大型電站鍋爐汽包，在焊接工作全部結束，并經最終熱處理后，無損檢測未曾發(fā)現缺陷。但在進行650 ℃、保溫10 h的最終熱處理后，在汽包的下降管、人孔加強圈與筒體相連接的焊縫HAZ發(fā)現了大量裂紋，如圖1所示[1]。在大量有關再熱裂紋研究文獻中，對于接頭HAZ顯微組織、焊接殘余應力、高溫行為三要素引發(fā)再熱裂紋的事實沒有異議[2-4]。但關于接頭再熱裂紋形成中氫行為的影響，迄今為止未見報道。然而在實際生產中已被用于防止再熱裂紋的一些工藝措施，如工件的預熱、后熱、低氫型電焊條、控制熱輸入等均已涉及接頭中氫的行為，但從未見有關文獻“重點”探討其中氫的問題。為了搞清楚再熱裂紋形成過程中氫行為的作用，論文以耐熱鋼鐵研焊接試驗為切入點，將試樣中裂紋的形態(tài)特征、影響因素與裂紋的形成條件相聯系，探討該鋼接頭再熱裂紋的控制原理。該項研究對揭示再熱裂紋形成過程中氫的行為、推動相關耐熱鋼焊接理論發(fā)展、促進配套工藝的創(chuàng)新研發(fā)，以及提升產品質量，具有一定的參考價值和實用意義。

1 耐熱鋼接頭再熱裂紋形態(tài)性質

1.1 耐熱鋼接頭鐵研試驗結果

為了防止熱處理之前焊接試件中產生冷裂紋，首先進行BHW35鋼的鐵研試驗和平板對接反面拘束試驗，以便確定不產生冷裂紋的工件預熱溫度。熱處理前BHW35鋼鐵研試樣制備參數及裂紋率如表1所示[2]。在此基礎上，對未產生冷裂紋的兩種試件進行焊后熱處理并檢測裂紋發(fā)生情況。BHW35鋼試件焊后熱處理工藝及其裂紋率如表2所示[2]?？梢钥闯?，對于焊后空冷的鐵研試件而言，隨工件預熱溫度的提高（從165 ℃升到210 ℃），斷面裂紋率明顯下降（從38.8%降到0）;對于焊后緊急后熱（300～350 ℃后熱70 min）的鐵研試件，斷面裂紋率從38.8%降到10.8%;對于焊后緩冷的（預熱165 ℃和210 ℃，焊后石棉保溫）鐵研試件，斷面裂紋率分別降至18%和0;對于預熱180 ℃+300～340 ℃后熱45 min，再200 ℃爐中隨爐緩冷的鐵研試件，斷面裂紋率為0;最后是預熱100 ℃、140 ℃后熱65 h的鐵研試件，斷面裂紋率為0。對于拘束應力較小的平板對接反面拘束試件而言，在165～180 ℃工件預熱溫度下，平均斷面裂紋率均為0。BHW35鋼是德國蒂森鋼廠20世紀60年代研制成功的貝氏體耐熱鋼，鋼的化學成分和力學性能分別如表3、表4所示。BHW35鋼正火+回火處理供貨狀態(tài)的顯微組織為回火索氏體+貝氏體+鐵素體（見圖2）。

1.2 耐熱鋼接頭裂紋形態(tài)性質

耐熱鋼接頭裂紋形態(tài)性質如表5所示。在鐵研試件切片上，裂紋幾乎全部啟裂于根部應力集中區(qū)，即距離熔合線一、兩個晶粒的粗晶區(qū)（見圖3），沿HAZ過熱區(qū)的原奧氏體晶界，呈樹枝狀擴展，嚴重的時候整個晶粒的四周都開裂（見圖3），止裂于焊縫或HAZ細晶區(qū)（見圖3、圖4）。從裂紋斷口掃描電鏡照片可以看出，呈沿晶斷口形貌，裂紋附近存在細小氧化物粒子（見圖5），表明該裂紋是在較高溫度下產生的，其性質屬于再熱裂紋。

2 耐熱鋼接頭再熱裂紋影響因素

2.1 接頭組織的影響

接頭組織對再熱裂紋的影響如表6所示?？梢钥闯觯宇^中對再熱裂紋敏感區(qū)域是HAZ粗晶區(qū)，而不是焊縫區(qū)。從再熱裂紋形成機理看，裂紋的形成主要涉及碳化物形成元素，如Cr、Mo、V、Nb、Ti 等，同時也涉及B、P、Cu、Sb、 As 、Sn等殘留元素。再熱裂紋敏感指數PSR反映了碳化物形成元素對再熱裂紋影響程度的排序為V-Nb-Ti-Mo-Cr-Cu。1Cr-0.5Mo鋼的焊后熱處理（PWHT）溫度與再熱裂紋率間的關系如圖6所示[4]。可以看出，隨試件焊后熱處理溫度提高，SR傾向增大，600 ℃時SR傾向最大;母材中添加不同碳化物形成元素時，SR傾向增大，但增大趨勢不同。其中，加V后SR傾向最大，Nb其次，Ti再次，不加碳化物形成元素的，SR傾向最小。該影響趨勢與再熱裂紋敏感指數PSR公式中所給出的元素排序完全一致。BHW35鋼母材中碳化物形成元素的種類和含量較多（見表3），熱處理過程中在HAZ粗晶區(qū)，晶內、晶界碳化物析出致使晶內強化，塑性變形集中到晶界，晶界發(fā)生滑移，導致所謂三叉晶界開裂（見圖7[5]）。而J607焊條焊縫金屬中的碳化物形成元素的種類及含量比HAZ少得多，焊縫金屬不是形成再熱裂紋的薄弱環(huán)節(jié)。再熱裂紋敏感指數PSR判據存在一定的局限性，沒有考慮高溫蠕變時，鋼中的B或殘留元素P、Cu、Sb、As、Sn等碳化物或夾雜物向晶界聚集，降低晶界結合力，使晶界脆化，形成晶界空穴，進而導致晶界開裂?？傊?，接頭顯微組織中的HAZ粗晶區(qū)碳化物析出、晶界的滑移及晶界的脆化是再熱裂紋產生的必要條件。影響HAZ組織的主要因素是母材中碳化物形成元素和殘留元素的種類及含量。

2.2 接頭拘束應力的影響

鐵研試件中的拘束應力分布如圖8所示。根部應力集中處正好是接頭的HAZ粗晶區(qū)（見圖3b）。對鐵研試件進行消除應力熱處理試驗之前，需采用必要工藝措施保證試件無裂紋。鐵研試件在熱處理過程中，裂紋啟裂條件是粗晶區(qū)晶界析出硬化（脆化）和承受高溫作用。隨溫度升高，試件接頭應力松弛發(fā)生塑性變形，當應力集中處的塑性變形量Δlp大于該處產生裂紋的臨界變形能力Δlcr時，就會導致晶界開裂（再熱裂紋）。HAZ粗晶區(qū)是接頭組織的薄弱環(huán)節(jié)，加之單位面積晶界的總長度變小，在拘束應力作用下裂紋極易沿晶界擴展（見圖3、圖4）。

試驗涉及接頭拘束應力的影響因素列于表7?？梢钥闯?，提高工件預熱溫度，可以降低接頭應力，減小拘束度，改善顯微組織，再熱裂紋率為0;對試件進行300～350 ℃后熱，延長工件冷卻時間，有利焊縫氫的逸出，適當降低了應力水平，防止SR裂紋效果顯著;降低試件熱處理溫度（從600 ℃降至540 ℃），使接頭應力松弛變形減小，可以避免SR裂紋;延長試件600 ℃熱處理保溫時間（從2 h延長至8 h），使晶界析出物增多，同時高溫蠕變變形量增大，SR裂紋率反而增大。從試驗方法看，BHW35鋼的再熱裂紋敏感指數PSR<0，理應對再熱裂紋不敏感。然而在鐵研試驗條件下，亦存在一定的敏感性（見表2）。這是因為該試驗方法中接頭的拘束度過大，與實際結構相比過于嚴格所致;而平板對接反面拘束試驗條件則比較接近實際產品結構。因此，前者試驗結果指導生產偏于安全，后者的評定結果及工藝措施亦可放心在生產施工中應用?？傊?，接頭的拘束應力是產生再熱裂紋的充分條件。接頭拘束應力的影響因素涉及焊接中的工藝措施及試驗方法等方面。

2.3 接頭中氫行為的影響

接頭中氫行為的影響因素如表8所示?？梢钥闯?，提高工件預熱溫度后，根部氫的濃度并沒有完全被去除，只是減少了，在隨后的熱處理升溫和保溫過程中，氫的濃度越來越少，所以不會引發(fā)再熱裂紋。反之，工件預熱溫度低的，根部粗晶、馬氏體組織，以及氫的聚集仍然存在，在隨后的熱處理升溫和保溫過程中，仍會引發(fā)再熱裂紋。對鐵研試件進行300～350 ℃后熱，使得根部應力集中處氫的聚集明顯減弱，氫脆的危險被解除。在隨后的熱處理升溫和保溫過程中，氫的濃度越來越少，根部裂紋不會發(fā)生，防止SR裂紋效果顯著。關于降低熱處理溫度（從600 ℃降至540 ℃）可以避免SR裂紋。這兩個試件的預熱溫度比較接近，即試件中的根部氫的聚集程度接近，降低熱處理溫度可以避免試件的SR裂紋。這是材料自身產生SR裂紋的臨界變形能力Δlcr決定的[7]。降低至540 ℃熱處理溫度后，材料的Δlcr提高了（見圖9），SR裂紋可以避免。關于延長鐵研試件600 ℃熱處理保溫時間（從2 h延長至8 h）SR裂紋率提高問題。兩個試件的預熱溫度接近，即試件中的根部氫含量接近，熱處理保溫時間長的，有利于根部氫濃度的減弱，但SR裂紋率反而增高。這可能與材料特性，如產生SR裂紋的臨界變形能力Δlcr有關。鐵研試驗和平板對接反面拘束兩種試驗方法本身已經考慮了氫的影響。根據應力誘導氫擴散機理，前者接頭的拘束度大于后者，前者根部氫的聚集程度遠大于后者。因此，前者的SR裂紋傾向明顯大于后者。綜上，接頭中氫的行為是產生再熱裂紋的充分條件之一。接頭中氫的行為的影響因素涉及焊接工藝措施及試驗方法等方面。

3 耐熱鋼接頭再熱裂紋的控制原理

基于斜Y形坡口裂紋試驗結果，耐熱鋼焊接生產中接頭的顯微組織和拘束應力是不可避免的，然而焊縫中氫的數量及分布是可以控制的。根據再熱裂紋產生要素（過熱區(qū)粗晶組織、拘束應力、擴散氫以及高溫行為）缺一不可原理，生產中大量應用的是表9所示工藝途徑，包括四方面控制：一是焊接材料選用。調整焊材成分，將消除應力熱處理過程中HAZ粗晶區(qū)的塑性變形轉移到焊縫金屬中。在熱處理高溫過程中焊縫變形釋放應力，使得 HAZ粗晶區(qū)不再是變形薄弱環(huán)節(jié)，從而避免再熱裂紋產生。上海鍋爐廠有限公司采用Mn、Si、Ni、Cu等中溫強化元素調整配方，研制了一種用于工作溫度低于350 ℃、強度限為600 MPa的、再熱裂紋傾向低的低氫型SG-2專用電焊條，成功應用在BHW38鍋爐汽包的40只下降管接頭。按照制造工藝進行了650 ℃消除應力熱處理，經檢測未發(fā)現再熱裂紋，順利通過水壓試驗。汽包在電廠運行多年，未發(fā)生事故，生產應用效果顯著[8]。二是低應力化工藝及參數選擇。例如采用低熱輸入工藝（小直徑焊條、小規(guī)范、直線運條、分段施焊等）、中間消除應力熱處理工藝以及提高工件預熱溫度等。目的是降低或減小接頭焊接殘余應力水平，降低HAZ粗晶區(qū)再熱裂紋發(fā)生率。三是低氫化工藝及參數選擇。包括適當提高工件預熱溫度、焊后立即進行后熱處理、采用低氫型焊條，以及采用低氫型工藝方法等。目的是控制接頭中擴散氫，消除HAZ粗晶區(qū)由于應力集中導致的金屬脆化，避免引發(fā)裂紋。四是適當降低消除應力熱處理溫度。例如對于某些壓力容器，采用較低的消除應力熱處理溫度如550 ℃，溫度低碳化物析出數量不多，同時HAZ粗晶區(qū)蠕變變形也不大，HAZ粗晶區(qū)再熱裂紋不易發(fā)生。

總之，焊接結構的鋼材選定之后，控制耐熱鋼接頭再熱裂紋的主導思想是控制接頭中的應力和擴散氫：首先是要控制接頭中的應力水平。采用工件預熱、后熱、控制熱輸入、熱處理等工藝及合理的參數，使接頭中的應力水平降低，滿足Δlp≤Δlcr條件，不產生再熱裂紋。第二是控制或減少接頭中的擴散氫。采用工件預熱、后熱、低氫焊接材料及焊接方法等，使接頭中殘留的擴散氫數量最小化，不足以引發(fā)再熱裂紋。生產實踐證明效果顯著。當然在現場施工之前，首要的工作仍然離不開焊接工藝評定。換言之，工藝人員所選用的“耐熱鋼接頭再熱裂紋的控制工藝”，應首先在工藝評定中實現。

4 結論

（1）在對未產生冷裂紋BHW35鋼的鐵研試件進行消除應力熱處理后，在試件橫截面發(fā)現了啟裂于根部應力集中區(qū)、沿HAZ過熱區(qū)奧氏體晶界呈樹枝狀擴展的、止裂于焊縫或HAZ細晶區(qū)的裂紋，該裂紋具有沿晶斷口特征，性質屬于再熱裂紋。

（2）接頭顯微組織中的HAZ粗晶區(qū)碳化物析出、晶界的脆化是再熱裂紋產生的必要條件，而接頭的拘束應力和接頭中氫以及高溫行為是產生再熱裂紋的充分條件。

（3）再熱裂紋形成的影響因素包括：母材中碳化物形成元素和殘留元素的種類及含量、焊接工藝措施及試驗方法等方面。

（4）生產中常用低應力化和低氫化綜合工藝及參數，以及專用焊接材料等措施，使接頭中的應力水平降低，接頭中的氫含量最小化，控制再熱裂紋形成條件，并獲得了較滿意的效果。

參考文獻：

[1] 吳祖乾，虞茂林，顧溥錦. 低合金鋼厚壁壓力容器焊接[M]. 上海：上海科學技術出版社，1981.

[2] 林佩珍. BHW35、BHW38鋼再熱裂縫試驗[J]. 鍋爐技術，1982（2）：1-10.

[3] Ito Yoshinori，Nakanishi Mutsuo. Study on the Stress Relief?Cracking in Welded Low Alloy Steels （Report 2）—The Investigation of Stress Relief Cracking Susceptibility on Low?Alloy Steels[J]. Journal of the Japan Welding Society，1972，41（1）：59-64.

[4] Ito Yoshinori，Nakanishi Mutsuo. Study on Stress Relief?Cracking in Welded Low Alloy Steels （Report 1） -The Investigation of the Condition under which Stress Relief Cracking May Occur[J]. Journal of the Japan Welding Society，1971，40（12）：75-80.

[5] Tamaki Koreaki. Reheat Cracking[J]. Journal of the Japan?Welding Society，1989，58（1）：58-64.

[6] 孫咸. 高強鋼冷裂紋啟裂位置判據與焊縫強度匹配的關系[J]. 電焊機，2020，50（1）：21-28.

[7] 張文鉞. 焊接物理冶金[M]. 天津：天津大學出版社，1991.

[8] 從欣滋. 抗蠕變裂縫焊條試驗[J]. 鍋爐技術，1974（1）：19-28.

收稿日期：2020-04-03

作者簡介：孫 咸（1941— ），男，教授，主要從事焊接材料及金屬焊接性方面的研究和教學工作，對焊接材料軟件開發(fā)具有豐富經驗;獲國家科技進步二等獎1項（2000年），省（部）級科技進步一等獎2項，二等獎3項，1992年獲國務院頒發(fā)的政府特殊津貼，已發(fā)表學術論文190多篇。E-mail：sunxian99@163.com。