wb36钢焊接头热影响区的组织分析

wb36钢焊接头热影响区的组织分析

wb36（15nmonb5）钢是由德国开发的低合金ni-cu-mo，美国asme标准1.15nm-0.65cu-mo。WB36钢具有良好的韧性和高温强度,被广泛应用于大型电站工作温度在500℃以下的大口径压力管道,如给水系统、集箱、锅炉汽包等。研究表明,WB36钢热影响区冷裂纹和再热裂纹敏感性都不大,工艺焊接性良好。WB36钢的使用焊接性如何,如热影响区的脆化倾向、消除应力处理脆化倾向等有关的研究报导很少。由于WB36钢管用于电站锅炉的高压部件,管壁厚度大,焊接时必须采取多层多道焊,作者在分析其多层焊接头热影响区的组织特征时,发现其热影响区的局部区域形成了沿晶分布的网状组织,网状组织常被认为是金属材料中的有害组织,特别是形成网状沉淀相时,很容易造成脆性沿晶断裂,因此有必要研究实际接头中这种网状组织的构成,掌握其形成机理及危害性,在此基础上提出控制或消除网状组织的措施。本文分析WB36钢多层焊接头热影响区各个部位的组织,总结了网状组织区域的分布范围、大小等特点,采用热模拟方法再现了这种网状组织,掌握其形成的焊接热循环条件,有助于进一步研究网状组织的精细结构、形成机理及对韧性的影响。1化学成分分析实验用WB36钢管由德国曼内斯曼公司生产,规格为ϕ244.5mm×20mm,供货状态为正火+回火。焊接位置为水平固定对接,焊接方法为TIG打底,手工电弧焊填充和盖面,焊条牌号为奥林康公司生产的TENACITO65焊条,母材和焊条熔敷金属化学成分见表1。焊接工艺列于表2,焊后热处理工艺为590℃×2h,采用多层多道焊,共有8层11条焊道,焊道布置图见图1(a)。2网状组织结构从管接头中取完整的接头试样,制成金相样,经2%硝酸酒精腐蚀后,用OLYMPUS-PMG3型光学显微镜观察接头HAZ各区域的显微组织,在HAZ的某些部位出现了网状组织,网状组织的分布有以下特点:1)紧邻且平行于熔合线;2)网状组织并不是沿熔合线连续分布,而是断续分布,一般出现在某些焊层厚度方向的中间部位附近,或相邻焊层交界处;3)网状组织区域大小约0.5mm×1mm。图2所示的是第3层焊道中部(图1中A位置)的网状组织,图3所示的是第3、4层焊道交界处(图1中B位置)的网状组织。在第3层焊道熔合线附近其它部位(图1中C位置)或离熔合线较远的HAZ(图1中D、E位置)的组织如图4所示,都没有出现网状组织。图4(d)为母材组织,D位置处应为完全重结晶细晶区(FGHAZ),E位置处为不完全重结晶区(ICHAZ)。接头组织分析结果表明,网状组织只出现在熔合线附近,并且是相邻焊道HAZ重叠的部位,如第3、4层焊道交界处或第3层焊道的HAZ中比较靠近第4层焊道的部分,而在没有重叠的区域,即单次焊接热循环作用部位,如第3层焊道HAZ中的D、E等位置处都没有出现网状组织(图4),这说明网状组织的形成是多次焊接热循环联合作用的结果。3网状组织结构的模拟研究根据网状组织分布规律,网状组织并不是沿熔合线连续分布,而是呈断续分布,且区域面积很小,因此从实际接头中取样研究网状组织的精细结构及对韧性的影响非常困难,为此有必要通过热模拟方法再现实际接头中的网状组织,得到大尺寸的试样,以进一步研究网状组织的形成机理及对性能的影响。网状组织的形成是多次焊接热循环作用的结果,由于网状组织都紧邻熔合线,可以推断网状组织部位经历的第一次热循环必定是粗晶区的热循环,下面通过物理模拟方法确定网状组织区域所经历的第二次热循环的特征,其中最重要的影响参数是加热峰值温度。3.1测定不同强度的热模拟机关t5/3从WB36钢管中取样进行热模拟试验,试验在THERMECMASTOR-Z型热模拟机上进行。根据实际焊接参数,选取焊接热输入为18kJ/cm,层间温度为200℃,由焊接传热学理论计算得到t8/5=14.0s,t5/3=53.0s,选择第1次热循环的峰值温度T1P=1320℃(一次粗晶区),WB36钢平衡条件下的相变点为AC1=725℃,AC3=870℃,由于焊接加热速度快,焊接条件下低合金钢相变点一般要升高30~100℃,因此选取第2次热循环的峰值温度T2P分别为1320℃、950℃、780℃,分别代表一次粗晶区经历再次加热后形成二次粗晶区(SCGHAZ)、完全重结晶区(过临界再热粗晶区,SCCGHAZ)和不完全重结晶区(临界再热粗晶区,IRCGHZ),将上述参数输入到热模拟机进行试验。热模拟后试样再进行590℃×2h热处理,然后制成金相样,腐蚀后观察模拟HAZ试样的组织特征。3.2网状组织的出现一次粗晶区经历不同峰值温度的第二次热循环作用后,最终组织如图5所示。由图5可以看出,模拟临界再热粗晶区(IRCGHZ)试样中出现了与实际接头类似的网状组织,网状组织沿原始奥氏体晶界分布,清晰地勾画出晶界轮廓,过临界再热粗晶区(SCCGHZ)模拟试样中也出现了网状组织,但区域范围变宽,且轮廓变得模糊,而在模拟SCGHAZ试样中没有发现网状组织。热模拟结果表明,实际接头中的沿晶网状组织是一次粗晶区受到峰值温度为AC1~AC3(焊接条件下的相变点)的二次热循环作用后产生,峰值温度越低,网状组织边界变窄,越清晰。3.3网状组织的模拟结果根据实际接头中网状组织分布特点和热模拟试验结果,过热造成的晶粒粗大是形成网状组织的前提,峰值温度在AC1~AC3之间的再次热循环作用是最终产生网状组织的必要条件。可以推断,除了临界再热粗晶区所经历的二次热循环外,二次粗晶区受到峰值温度AC1~AC3之间的第三次热循环作用也可能产生这种网状组织,因此实际接头中出现沿晶网状组织的部位经历的焊接热循环有以下两种情况:1)受到两次热循环作用,第一次为粗晶区的热循环,第二次为峰值温度在AC1~AC3的不完全重结晶区的热循环,如图6(a)所示;2)受到三次热循环作用,第一、二次为粗晶区的热循环,第三次为峰值温度在AC1~AC3不完全区的热循环,如图6(b)所示。显然第3层焊道中间位置附近出现(图1中的A位置)的网状组织是第一种热循环作用的结果,而第3、4层焊道交界部位(图1中的B位置)出现的网状组织则很可能是第二种热循环作用的结果,因为B位置处为相邻两层焊道的交界处,所经历的前两次热循环必定是粗晶区的热循环。根据光学显微镜观察结果,测得实际接头中网状组织区域的范围约1mm×(1~2)mm,由焊接传热学理论,可以估算粗晶区和不完全重结晶区的宽度在(1~2)mm,由图6表示的网状组织形成过程,两次热循环的热影响区重叠区域也是1mm×(1~2)mm,这进一步证实了上述解释的正确性。尹士科、李玉衡等人研究10Ni5CrMoV和HQ70低合金钢粗晶区在经历峰值温度在AC1~(920~950℃)的第二次热循环后,原始奥氏体晶界变宽,晶界呈现“晶粒边界效应”,组织特征比较类似于本文观察到的沿晶网状组织;高惠临和于少飞等人研究了X65、X70等管线钢模拟IRCHAZ的组织性能,在原始奥氏体晶界上也出现“项链状”结构,这些研究结果虽然没有在实际多层焊接头中得到验证,但表明了晶界发生部分组织转变可能是低合金钢焊接时IRCGHZ中的一种普遍现象,也进一步证实了本文对WB36钢多层焊接头网状组织模拟再现结果的正确性,即WB36钢实际接头中的网状组织位于IRCHAZ。沿晶分布的网状组织常被认为是金属材料中的有害组织,容易造成脆性沿晶断裂,如含12%Cr的F11钢焊缝中容易出现网状铁素体组织,使焊缝的室温冲击韧性降至10J/cm2,特别是出现网状沉淀相时,更容易引起沿晶断裂,如含钛的镍钴钼钢,容易沿晶界析出TiC产生沿晶脆断。WB36钢IRCHAZ中形成的连续晶界网状组织的构成,是含有脆性的沉淀相及对韧性危害性等问题需要进一步研究。4网状组织模拟在WB36钢多层焊接头某些焊层附近热影响区的局部区域,沿平行于熔合线方向形成网状组织,网状组织区域大小约0.