wb36鋼焊接頭熱影響區(qū)的組織分析

wb36鋼焊接頭熱影響區(qū)的組織分析

wb36（15nmonb5）鋼是由德國開發(fā)的低合金ni-cu-mo，美國asme標(biāo)準(zhǔn)1.15nm-0.65cu-mo。WB36鋼具有良好的韌性和高溫強(qiáng)度,被廣泛應(yīng)用于大型電站工作溫度在500℃以下的大口徑壓力管道,如給水系統(tǒng)、集箱、鍋爐汽包等。研究表明,WB36鋼熱影響區(qū)冷裂紋和再熱裂紋敏感性都不大,工藝焊接性良好。WB36鋼的使用焊接性如何,如熱影響區(qū)的脆化傾向、消除應(yīng)力處理脆化傾向等有關(guān)的研究報(bào)導(dǎo)很少。由于WB36鋼管用于電站鍋爐的高壓部件,管壁厚度大,焊接時必須采取多層多道焊,作者在分析其多層焊接頭熱影響區(qū)的組織特征時,發(fā)現(xiàn)其熱影響區(qū)的局部區(qū)域形成了沿晶分布的網(wǎng)狀組織,網(wǎng)狀組織常被認(rèn)為是金屬材料中的有害組織,特別是形成網(wǎng)狀沉淀相時,很容易造成脆性沿晶斷裂,因此有必要研究實(shí)際接頭中這種網(wǎng)狀組織的構(gòu)成,掌握其形成機(jī)理及危害性,在此基礎(chǔ)上提出控制或消除網(wǎng)狀組織的措施。本文分析WB36鋼多層焊接頭熱影響區(qū)各個部位的組織,總結(jié)了網(wǎng)狀組織區(qū)域的分布范圍、大小等特點(diǎn),采用熱模擬方法再現(xiàn)了這種網(wǎng)狀組織,掌握其形成的焊接熱循環(huán)條件,有助于進(jìn)一步研究網(wǎng)狀組織的精細(xì)結(jié)構(gòu)、形成機(jī)理及對韌性的影響。1化學(xué)成分分析實(shí)驗(yàn)用WB36鋼管由德國曼內(nèi)斯曼公司生產(chǎn),規(guī)格為?244.5mm×20mm,供貨狀態(tài)為正火+回火。焊接位置為水平固定對接,焊接方法為TIG打底,手工電弧焊填充和蓋面,焊條牌號為奧林康公司生產(chǎn)的TENACITO65焊條,母材和焊條熔敷金屬化學(xué)成分見表1。焊接工藝列于表2,焊后熱處理工藝為590℃×2h,采用多層多道焊,共有8層11條焊道,焊道布置圖見圖1(a)。2網(wǎng)狀組織結(jié)構(gòu)從管接頭中取完整的接頭試樣,制成金相樣,經(jīng)2%硝酸酒精腐蝕后,用OLYMPUS-PMG3型光學(xué)顯微鏡觀察接頭HAZ各區(qū)域的顯微組織,在HAZ的某些部位出現(xiàn)了網(wǎng)狀組織,網(wǎng)狀組織的分布有以下特點(diǎn):1)緊鄰且平行于熔合線;2)網(wǎng)狀組織并不是沿熔合線連續(xù)分布,而是斷續(xù)分布,一般出現(xiàn)在某些焊層厚度方向的中間部位附近,或相鄰焊層交界處;3)網(wǎng)狀組織區(qū)域大小約0.5mm×1mm。圖2所示的是第3層焊道中部(圖1中A位置)的網(wǎng)狀組織,圖3所示的是第3、4層焊道交界處(圖1中B位置)的網(wǎng)狀組織。在第3層焊道熔合線附近其它部位(圖1中C位置)或離熔合線較遠(yuǎn)的HAZ(圖1中D、E位置)的組織如圖4所示,都沒有出現(xiàn)網(wǎng)狀組織。圖4(d)為母材組織,D位置處應(yīng)為完全重結(jié)晶細(xì)晶區(qū)(FGHAZ),E位置處為不完全重結(jié)晶區(qū)(ICHAZ)。接頭組織分析結(jié)果表明,網(wǎng)狀組織只出現(xiàn)在熔合線附近,并且是相鄰焊道HAZ重疊的部位,如第3、4層焊道交界處或第3層焊道的HAZ中比較靠近第4層焊道的部分,而在沒有重疊的區(qū)域,即單次焊接熱循環(huán)作用部位,如第3層焊道HAZ中的D、E等位置處都沒有出現(xiàn)網(wǎng)狀組織(圖4),這說明網(wǎng)狀組織的形成是多次焊接熱循環(huán)聯(lián)合作用的結(jié)果。3網(wǎng)狀組織結(jié)構(gòu)的模擬研究根據(jù)網(wǎng)狀組織分布規(guī)律,網(wǎng)狀組織并不是沿熔合線連續(xù)分布,而是呈斷續(xù)分布,且區(qū)域面積很小,因此從實(shí)際接頭中取樣研究網(wǎng)狀組織的精細(xì)結(jié)構(gòu)及對韌性的影響非常困難,為此有必要通過熱模擬方法再現(xiàn)實(shí)際接頭中的網(wǎng)狀組織,得到大尺寸的試樣,以進(jìn)一步研究網(wǎng)狀組織的形成機(jī)理及對性能的影響。網(wǎng)狀組織的形成是多次焊接熱循環(huán)作用的結(jié)果,由于網(wǎng)狀組織都緊鄰熔合線,可以推斷網(wǎng)狀組織部位經(jīng)歷的第一次熱循環(huán)必定是粗晶區(qū)的熱循環(huán),下面通過物理模擬方法確定網(wǎng)狀組織區(qū)域所經(jīng)歷的第二次熱循環(huán)的特征,其中最重要的影響參數(shù)是加熱峰值溫度。3.1測定不同強(qiáng)度的熱模擬機(jī)關(guān)t5/3從WB36鋼管中取樣進(jìn)行熱模擬試驗(yàn),試驗(yàn)在THERMECMASTOR-Z型熱模擬機(jī)上進(jìn)行。根據(jù)實(shí)際焊接參數(shù),選取焊接熱輸入為18kJ/cm,層間溫度為200℃,由焊接傳熱學(xué)理論計(jì)算得到t8/5=14.0s,t5/3=53.0s,選擇第1次熱循環(huán)的峰值溫度T1P=1320℃(一次粗晶區(qū)),WB36鋼平衡條件下的相變點(diǎn)為AC1=725℃,AC3=870℃,由于焊接加熱速度快,焊接條件下低合金鋼相變點(diǎn)一般要升高30~100℃,因此選取第2次熱循環(huán)的峰值溫度T2P分別為1320℃、950℃、780℃,分別代表一次粗晶區(qū)經(jīng)歷再次加熱后形成二次粗晶區(qū)(SCGHAZ)、完全重結(jié)晶區(qū)(過臨界再熱粗晶區(qū),SCCGHAZ)和不完全重結(jié)晶區(qū)(臨界再熱粗晶區(qū),IRCGHZ),將上述參數(shù)輸入到熱模擬機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)。熱模擬后試樣再進(jìn)行590℃×2h熱處理,然后制成金相樣,腐蝕后觀察模擬HAZ試樣的組織特征。3.2網(wǎng)狀組織的出現(xiàn)一次粗晶區(qū)經(jīng)歷不同峰值溫度的第二次熱循環(huán)作用后,最終組織如圖5所示。由圖5可以看出,模擬臨界再熱粗晶區(qū)(IRCGHZ)試樣中出現(xiàn)了與實(shí)際接頭類似的網(wǎng)狀組織,網(wǎng)狀組織沿原始奧氏體晶界分布,清晰地勾畫出晶界輪廓,過臨界再熱粗晶區(qū)(SCCGHZ)模擬試樣中也出現(xiàn)了網(wǎng)狀組織,但區(qū)域范圍變寬,且輪廓變得模糊,而在模擬SCGHAZ試樣中沒有發(fā)現(xiàn)網(wǎng)狀組織。熱模擬結(jié)果表明,實(shí)際接頭中的沿晶網(wǎng)狀組織是一次粗晶區(qū)受到峰值溫度為AC1~AC3(焊接條件下的相變點(diǎn))的二次熱循環(huán)作用后產(chǎn)生,峰值溫度越低,網(wǎng)狀組織邊界變窄,越清晰。3.3網(wǎng)狀組織的模擬結(jié)果根據(jù)實(shí)際接頭中網(wǎng)狀組織分布特點(diǎn)和熱模擬試驗(yàn)結(jié)果,過熱造成的晶粒粗大是形成網(wǎng)狀組織的前提,峰值溫度在AC1~AC3之間的再次熱循環(huán)作用是最終產(chǎn)生網(wǎng)狀組織的必要條件?？梢酝茢?除了臨界再熱粗晶區(qū)所經(jīng)歷的二次熱循環(huán)外,二次粗晶區(qū)受到峰值溫度AC1~AC3之間的第三次熱循環(huán)作用也可能產(chǎn)生這種網(wǎng)狀組織,因此實(shí)際接頭中出現(xiàn)沿晶網(wǎng)狀組織的部位經(jīng)歷的焊接熱循環(huán)有以下兩種情況:1)受到兩次熱循環(huán)作用,第一次為粗晶區(qū)的熱循環(huán),第二次為峰值溫度在AC1~AC3的不完全重結(jié)晶區(qū)的熱循環(huán),如圖6(a)所示;2)受到三次熱循環(huán)作用,第一、二次為粗晶區(qū)的熱循環(huán),第三次為峰值溫度在AC1~AC3不完全區(qū)的熱循環(huán),如圖6(b)所示。顯然第3層焊道中間位置附近出現(xiàn)(圖1中的A位置)的網(wǎng)狀組織是第一種熱循環(huán)作用的結(jié)果,而第3、4層焊道交界部位(圖1中的B位置)出現(xiàn)的網(wǎng)狀組織則很可能是第二種熱循環(huán)作用的結(jié)果,因?yàn)锽位置處為相鄰兩層焊道的交界處,所經(jīng)歷的前兩次熱循環(huán)必定是粗晶區(qū)的熱循環(huán)。根據(jù)光學(xué)顯微鏡觀察結(jié)果,測得實(shí)際接頭中網(wǎng)狀組織區(qū)域的范圍約1mm×(1~2)mm,由焊接傳熱學(xué)理論,可以估算粗晶區(qū)和不完全重結(jié)晶區(qū)的寬度在(1~2)mm,由圖6表示的網(wǎng)狀組織形成過程,兩次熱循環(huán)的熱影響區(qū)重疊區(qū)域也是1mm×(1~2)mm,這進(jìn)一步證實(shí)了上述解釋的正確性。尹士科、李玉衡等人研究10Ni5CrMoV和HQ70低合金鋼粗晶區(qū)在經(jīng)歷峰值溫度在AC1~(920~950℃)的第二次熱循環(huán)后,原始奧氏體晶界變寬,晶界呈現(xiàn)“晶粒邊界效應(yīng)”,組織特征比較類似于本文觀察到的沿晶網(wǎng)狀組織;高惠臨和于少飛等人研究了X65、X70等管線鋼模擬IRCHAZ的組織性能,在原始奧氏體晶界上也出現(xiàn)“項(xiàng)鏈狀”結(jié)構(gòu),這些研究結(jié)果雖然沒有在實(shí)際多層焊接頭中得到驗(yàn)證,但表明了晶界發(fā)生部分組織轉(zhuǎn)變可能是低合金鋼焊接時IRCGHZ中的一種普遍現(xiàn)象,也進(jìn)一步證實(shí)了本文對WB36鋼多層焊接頭網(wǎng)狀組織模擬再現(xiàn)結(jié)果的正確性,即WB36鋼實(shí)際接頭中的網(wǎng)狀組織位于IRCHAZ。沿晶分布的網(wǎng)狀組織常被認(rèn)為是金屬材料中的有害組織,容易造成脆性沿晶斷裂,如含12%Cr的F11鋼焊縫中容易出現(xiàn)網(wǎng)狀鐵素體組織,使焊縫的室溫沖擊韌性降至10J/cm2,特別是出現(xiàn)網(wǎng)狀沉淀相時,更容易引起沿晶斷裂,如含鈦的鎳鈷鉬鋼,容易沿晶界析出TiC產(chǎn)生沿晶脆斷。WB36鋼IRCHAZ中形成的連續(xù)晶界網(wǎng)狀組織的構(gòu)成,是含有脆性的沉淀相及對韌性危害性等問題需要進(jìn)一步研究。4網(wǎng)狀組織模擬在WB36鋼多層焊接頭某些焊層附近熱影響區(qū)的局部區(qū)域,沿平行于熔合線方向形成網(wǎng)狀組織,網(wǎng)狀組織區(qū)域大小約0.