焊后处理对Q690钢CGHAZ组织及硬度的影响
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摘 要：采用干冰急冷、自然冷却和250 ℃×2 h低温回火三种方式对焊接接头进行焊后处理。通过光学显微镜、显微硬度试验，研究三种焊后处理对Q690钢焊接热影响区粗晶区（CGHAZ）组织及硬度的影响。结果表明：当焊后处理由干冰急冷向自然冷却、250 ℃×2 h回火改变时，CGHAZ显微组织由以板条马氏体为主改变为板条贝氏体为主，并有少量粒状贝氏体产生。焊后处理对焊缝显微硬度影响较大，对CGHAZ的显微硬度影响程度较小，自然冷却和250 ℃×2 h回火，可避免焊缝形成淬硬组织，缓解焊缝区的应力状态。
关键词：Q690钢;热影响区;显微组织;显微硬度
中图分类号：TG442 文献标识码：A开放科学（资源服务）标识码
doi：10.14031/j.cnki.njwx.2020.02.011Open Science Identity（OSID）
在高强钢焊接生产中，为防止氢致裂纹的产生，通常对焊接接头采用焊后250 ℃×2 h低温回火处理[1-3]。然而，实际生产过程中，为降低成本、缩短生产周期，在接头性能满足工程应用要求的基础上，焊件的冷却状态应尽量选择焊态，即焊后自然冷却。因此，焊态下的接头性能是否满足使用性能要求，亟需研究分析。本文在高环境湿度、低预热及低层间温度的苛刻条件下对Q690钢施焊，并对焊后接头分别采用干冰急冷处理（模拟北方冬季焊态接头）、自然冷却（模拟夏季焊态接头）及250 ℃×2 h低温回火处理，研究了三种焊后处理对Q690钢焊接热影响区粗晶区（Coarse Grain Heat Affected Zone，CGHAZ）组织及硬度的影响，为其在工程机械上的应用提供理论支持和试验依据。
1 试验方法
试验钢板为调质态的Q690高强钢板，金相组织为回火贝氏体，显微硬度为320 HV5。试验焊材为GHS75M焊丝，其直径为1.2 mm，Q690高强钢和GHS75M焊丝熔敷金属的化学成分及力学性能如表1所示。
焊接方法采用半自动熔化极气体保护焊，保护气体为80%Ar+20%CO2组成的混合气体，气体流量为20 L·min-1。接头形式为平板对接。试验环境温度22 ℃，环境湿度80%～90%RH，焊接电流260～300 A，焊接电压29～30 V，热输入15 kJ·cm-1，预热温度50～60 ℃，道间温度50～80 ℃。为显著对比不同焊后热处理方式对接头组织及性能的影响，焊后立即分别进行：（1）干冰急冷，即在距焊缝50 mm处布置一层10～20 mm厚的干冰，并随着干冰的升华而不断添加，直至接头温度降为10 ℃;（2）自然冷却（焊态）;（3）250 ℃×2 h低温回火，即置入炉温为250 ℃的马弗炉中，2 h后取出自然冷却。
参照GB/T 13298-2015《金属显微组织检验方法》，制备焊接接头金相试样，采用LeicaMEF-4M 光学显微镜观察热影响区粗晶区的显微组织。根据GB/T 2654-2008《焊接接头硬度试验方法》测试焊接接头的显微硬度，测试点位置为距接头背焊面下2 mm处。
2 试验结果与分析
2.1 焊接接头的宏观形貌
图1为经干冰急冷处理焊接接头的横截面宏观形貌。可以看出，焊接接头中焊缝金属、热影响区及母材清晰可见，热影响区平均宽度约5.5 mm。焊接接头为多层多道焊，各焊道层次分明，熔敷金属量均匀，上焊道对下焊道有热作用，焊道间、焊缝根部及熔合线均无裂纹、夹渣等缺陷。
2.2 焊接热影响粗晶区显微组织
图2为三种焊后处理的CGHAZ显微组织，可以看出，经焊接热循环影响后，CGHAZ完全失去了母材原有组织形态，原奥氏体晶粒显著长大。
当焊后干冰急冷时， CGHAZ显微组织主要为板条马氏体和板条贝氏体的混合组织，其中板条马氏体含量较多。马氏体板条和贝氏体板条细长，方向性较强，原奥氏体晶粒内可以由一个或几个板条束组成，板条束可贯穿整个原奥氏体晶粒，见图2a。当焊后自然冷却时，CGHAZ显微组织中板条贝氏体含量增多，板条马氏体减少，贝氏体和马氏体板条仍具有较小的长宽比及较强的方向性，但板条束尺寸减小，位向不同的板条束之间呈“交织”状分布，见图2b。当焊后250 ℃×2 h回火处理时，CGHAZ显微组织主要以板条贝氏体为主，并有少量粒状贝氏体产生，而板条马氏体含量大大减少，贝氏体板条粗化，方向性减弱，见图2c。
2.3 焊接接头的显微硬度
图3为由焊缝金属中心到母材的显微硬度。可以看出，不同位置的显微硬度值波动较大，呈波浪状变化。但仔细观察不难发现三种焊后处理焊接接头的显微硬度曲线呈相同的规律，即靠近熔合線焊缝侧出现硬度峰值，熔合线和不完全重结晶区分别出现一个小的硬度谷值和大的硬度谷值。这是由于母材和焊丝成分具有较大的差别，近熔合线焊缝金属熔融部分母材后，合金元素浓度升高，碳当量增大，再加上焊后冷却过程中，该处具有较大的冷却速度，使得该处形成淬硬组织，尤其焊后干冰急冷时，该区冷却速度进一步增大，形成淬硬组织的程度进一步提高，但焊后250 ℃×2 h回火处理时，该区淬硬组织并没有如焊缝区一样硬度下降。熔合线存在物理化学的不均匀性，如大量的空位、位错及扩散过渡层，从而导致其组织、性能的不均匀性，该区具有较低的硬度。不完全重结晶区经历的热循环峰值温度为AC3～AC1，该区发生了部分组织的奥氏体化和再结晶，原母材中回火贝氏体组织和碳化物未能充分溶解，冷却后的混合组织对塑性变性的抗力很小，因而该区出现硬度的显著下降。
另外图3中还可以发现，随着焊后干冰急冷向250 ℃×2 h回火处理改变，焊缝区和CGHAZ整体显微硬度呈减小趋势。由于焊缝区显微硬度值下降幅度远大于CGHAZ，焊缝区平均显微硬度由大于CGHAZ向小于CGHAZ转变。上述变化表明，焊后缓冷可显著降低焊缝区的显微硬度，而对CGHAZ的显微硬度影响程度较小，从而缓解焊缝区的应力状态，防止焊后氢致裂纹的产生。
3 结论
（1） CGHAZ显微组织主要为板条马氏体和板条贝氏体。当焊后处理由干冰急冷向自然冷却及250 ℃×2 h回火改变时，CGHAZ显微组织由以板条马氏体为主改变为板条贝氏体为主，并有少量粒状贝氏体产生。
（2） 焊后处理对焊缝显微硬度影响较大，对CGHAZ的显微硬度影响程度较小，自然冷却和250 ℃×2 h回火，可避免焊缝形成淬硬组织，缓解焊缝区的应力状态。
参考文献：
[1]张骁勇， 高惠临， 毕宗岳， 等. 焊接热输入对X80焊管焊缝组织与性能的影响[J]. 材料工程， 2010（9）：66.
[2] 张敏， 陈阳阳， 刘明志， 等.超低碳贝氏体钢埋弧焊焊接接头韧化机理分析[J].焊接学报， 2016， 37（6）：45.
[3] 马成勇， 田志凌， 杜则裕， 等.热输入对800MPa级钢接头组织及性能的影响[J].焊接学报， 2004， 25（2）：23.
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