高溫回火對Q235/P91異種鋼熔焊接頭組織結(jié)構(gòu)與性能影響

程洪生，呂建魁，馮可云，劉 鵬

（1.山東光岳轉(zhuǎn)向節(jié)有限責任公司，山東 聊城 252000；2.山東建筑大學材料科學與工程學院，山東 濟南 250101）

高溫回火對Q235/P91異種鋼熔焊接頭組織結(jié)構(gòu)與性能影響

程洪生1，呂建魁1，馮可云2，劉 鵬2

（1.山東光岳轉(zhuǎn)向節(jié)有限責任公司，山東 聊城 252000；2.山東建筑大學材料科學與工程學院，山東 濟南 250101）

采用光學金相顯微鏡、維氏硬度計等測試方法，研究焊后不同保溫時間和高溫回火熱處理對Q235/P91異種鋼熔焊接頭顯微組織特征及硬度分布的影響。結(jié)果表明，經(jīng)過不同保溫時間的高溫回火處理，Q235鋼側(cè)熱影響區(qū)靠近熔合線附近，鐵素體組織比較細小；過熱區(qū)附近的奧氏體晶粒發(fā)生嚴重長大；相變重結(jié)晶區(qū)將得到更加細小的鐵素體顯微組織。P91鋼側(cè)熱影響區(qū)分別是完全淬火區(qū)和不完全淬火區(qū)組織。且隨著焊接熱輸入的增大，熱影響區(qū)組織顯著變大，其硬度也顯著提高；而保溫時間越短，焊縫區(qū)組織越細小，硬度也越高。其中保溫1.5 h的焊縫區(qū)硬度比保溫2.5 h的高約40 HV，保溫2.5 h的焊縫區(qū)硬度比保溫3.5 h的高約40 HV。

P91鋼；Q235鋼；高溫回火；顯微組織；硬度

0 前言

P91鋼是一種改良型的馬氏體9Cr-1Mo鋼[1]，主要應用于電力、石化等產(chǎn)業(yè)。它是在9Cr-1Mo基礎上添加V、Nb、N等一些合金元素加工而成，不僅具有高而穩(wěn)定的持久塑性和導熱系數(shù)優(yōu)良性能，而且具有線膨脹系數(shù)較小、高溫抗氧化性和抗腐蝕性能好等性能[2]。該鋼冷裂紋敏感性較強，有一定的熱裂紋傾向，同時還有接頭性能弱化（焊縫區(qū)韌性惡化和熱影響區(qū)的軟化）的問題。合理的焊接工藝是控制和改善鋼焊接性的重要技術(shù)手段[3-4]。Q235是我國壓力容器及石油行業(yè)中廣泛應用的一種優(yōu)質(zhì)碳素鋼，該鋼具有良好的強度、塑性、焊接性能和工藝性能[5-6]。近年來國內(nèi)外相關(guān)技術(shù)領域已對P91鋼焊接接頭及Q235鋼焊接接頭的組織結(jié)構(gòu)和力學性能開展較多的研究[7-10]。在此主要針對兩種材料可能存在的異種金屬連接的問題，通過探索恰當?shù)腟MAW焊接工藝實現(xiàn)Q235/P91異種鋼的焊接，并對熔焊接頭進行不同保溫時間的高溫回火處理。利用光學金相顯微鏡、維氏硬度計等測試方法，研究焊后不同保溫時間的高溫回火熱處理對不同焊接參數(shù)下Q235/P91異種鋼熔焊接頭顯微組織特征及硬度分布的影響。

1 試驗材料及工藝

試驗材料為Q235鋼板和P91鋼管，Q235鋼板尺寸 350mm×100mm×5mm，P91鋼管尺寸 150mm×φ50 mm。焊條牌號為R507，直徑4.0 mm；焊機設備型號ZX5-400，熱處理設備為SX2-5-12型箱式電阻爐。焊前對P91鋼管側(cè)做開坡口處理，選用半V型坡口，如圖1所示。焊前P91鋼進行250℃預熱處理[11]，焊接工藝參數(shù)如表1所示。焊后熱處理選用高溫回火處理，回火溫度730℃±10℃，回火保溫時間分別選擇1.5 h、2.5 h和3.5 h，保溫后空冷卻至室溫狀態(tài)。

表1 焊接工藝規(guī)范及參數(shù)

2 結(jié)果和討論

2.1 熱影響區(qū)金相組織

自從上次發(fā)生了爭執(zhí)，我心里窩了火，一直沒來阿花這兒。和高文鵬見面后，對阿花的看法有所改變，但又忙于東奔西跑，也沒來。直到今天，我拿了一摞訂單作為最豐厚的見面禮，來見阿花。相逢一笑泯恩仇，我們就像什么也沒發(fā)生過，擁在一起。我像一鍋水，被阿花的耳鬢廝磨燒開了，沸騰了。

圖1 焊接接頭及坡口形式

在焊接電流為130A和160A，高溫回火保溫時間分別為1.5 h、2.5 h、3.5 h條件下的熔合區(qū)及熱影響區(qū)的金相組織如圖2和圖3所示。

綜上所述，在新課程改革不斷深入的背景下，新時期我國在積極加強小學生人才培養(yǎng)的過程中，要求小學語文教師充分發(fā)揮學科優(yōu)勢，在積極進行教材挖掘的基礎上，從傳統(tǒng)文化素養(yǎng)以及綜合素質(zhì)等角度出發(fā)，采取有效措施不斷促進小學生身心健康發(fā)展。因此，新時期，小學語文教師應對學生傳統(tǒng)文化素養(yǎng)培養(yǎng)的重要性產(chǎn)生深刻認知，并從注重培養(yǎng)學生對傳統(tǒng)文化的情感基礎、通過傳統(tǒng)文化傳承培養(yǎng)小學生語文核心素養(yǎng)、結(jié)合教學內(nèi)容深入挖掘傳統(tǒng)文化精華等角度出發(fā)，為促進小學生傳統(tǒng)文化素養(yǎng)的提升奠定基礎。

P91鋼側(cè)熱影響區(qū)金相組織如圖2所示。在130A 160 A的電流條件下，不同保溫時間的組織靠近P91與焊縫的熱影響區(qū)可分為兩部分——完全淬火區(qū)和不完全淬火區(qū)，靠近焊縫的屬于完全淬火區(qū)，相當于不易淬火鋼的過熱區(qū)和完全重結(jié)晶區(qū)。易淬火鋼的脆硬傾向大，冷卻時將得到馬氏體組織，但因該區(qū)經(jīng)歷的熱循環(huán)不同，相當于正火處理的部位得到的是細小的馬氏體，而過熱區(qū)部位得到的是粗大的回火馬氏體。完全淬火區(qū)內(nèi)的過熱區(qū)部分由于粗大的馬氏體組織生成使得該區(qū)域有較高的硬度、較低的塑性和脆性。與之相鄰的區(qū)域為不完全淬火區(qū)，在快速加熱的條件下，鐵素體很少融入奧氏體，而珠光體、貝氏體和馬氏體等轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體。在隨后的冷卻過程中奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，原來的鐵素體也有不同程度的長大，最終得到馬氏體和鐵素體的混合組織，此區(qū)域的脆性較大，僅次于過熱區(qū)。

當前，國內(nèi)學界對高校績效評估內(nèi)涵的理解存在著簡單化、機械化和片面性的問題。一方面，績效意識不足，學者們更重視探究應然層面的績效評價指標構(gòu)建和實踐的應用操作，而對為什么要實施績效評價以及高等教育內(nèi)部是否具有實施績效評價的需求研究很少。⑩另一方面，在績效內(nèi)涵上認識不夠全面，往往是重業(yè)績輕效率，重投入輕產(chǎn)出，忽視了辦學效率。

化壓力為動力，北醫(yī)三院始終堅持以用能數(shù)據(jù)為導向，推動能源管理精益發(fā)展。醫(yī)院1999年就建立了電力監(jiān)控系統(tǒng)，2011年鍋爐監(jiān)控系統(tǒng)正式上線，多級計量穩(wěn)步推進。2015年，在原國家衛(wèi)生計生委專項資金支持下，醫(yī)院完成了信息化能耗監(jiān)管系統(tǒng)的建設，實現(xiàn)了能源資源的在線監(jiān)測、統(tǒng)計分析和智能管理；2016年，后勤專業(yè)團隊開展大數(shù)據(jù)的分析和挖掘，摸索能耗規(guī)律，挖掘節(jié)能潛力；2017年運用科學管理工具，促進節(jié)能項目更加深入有效開展，實現(xiàn)能源管理的精益發(fā)展。

圖2 P91鋼側(cè)熱影響區(qū)金相組織

圖3 Q235鋼側(cè)熱影響區(qū)金相組織

2.3 高溫回火保溫時間對接頭硬度分布的影響

Q235鋼側(cè)熱影響區(qū)金相組織如圖3所示。熔合區(qū)附近的熱影響區(qū)特征明顯，相比母材部分有著不一樣的組織形態(tài)，晶粒粗大。在相同焊接熱輸入和相同保溫時間的條件下，焊縫中的柱狀晶都是垂直于熔合線的。通過比較在相同熱輸入條件下不同保溫時間的組織圖片發(fā)現(xiàn)，Q235側(cè)熱影響區(qū)分為3部分：第一部分是靠近熔合線的，鐵素體組織比較細小，可能是受熱循環(huán)的影響，相當于對近焊縫的區(qū)域進行了一次熱處理工藝，因而使得此處的組織顯得更加細小。第二部分是遠離焊縫方向靠近熔合線附近的組織，可以看到顯得特別粗大，這是熱影響區(qū)的過熱區(qū)，它的形成是由于金屬處于過熱狀態(tài)，奧氏體晶粒發(fā)生嚴重的長大現(xiàn)象，冷卻之后得到粗大的組織（焊后晶粒度為1～2級）。此區(qū)的韌性較低，易發(fā)生脆化和裂紋等。過熱區(qū)的大小與焊接方法，焊接線能量與母材厚度等相關(guān)。第三部分是遠離焊縫區(qū)域，可以看到更加細小的鐵素體顯微組織，此處是熱影響區(qū)中的相變重結(jié)晶。焊接或熱處理時母材金屬被加熱到Ac3以上的溫度，發(fā)生重結(jié)晶（即鐵素體和珠光體全部轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體），然后在空氣冷卻就會得到均勻而細小的珠光體和鐵素體，相當于熱處理時的正火組織，此時的組織機械性能很好。

通過上述有關(guān)接頭各區(qū)域顯微組織分析，各區(qū)域經(jīng)過不同保溫時間的高溫回火處理后組織結(jié)構(gòu)發(fā)生了顯著變化，因此可以通過顯微硬度分析來反映組織和影響因素之間的關(guān)系。Q235/P91異種鋼焊接接頭高溫回火+不同保溫時間處理后的顯微硬度分布試驗結(jié)果如圖5所示。

圖4 焊縫區(qū)金相組織（160 A）

2.2 焊縫區(qū)金相組織

對于焊縫區(qū)組織，當采用焊接電流130A或160A時其組織變化不十分明顯。焊縫區(qū)主要由大量的下貝氏體+馬氏體（基體）組成。在500倍的光學顯微鏡下，可以看到許多呈黑色針狀或竹葉狀的下貝氏體，并且針與針之間呈一定角度，白色部分為馬氏體基體，如圖4所示。在相同焊接熱輸入的條件下，隨著保溫時間的增長，黑色針狀或針葉狀的組織越來越粗大，馬氏體基體（白色部分）的面積也越來越大。

試驗結(jié)果表明，P91母材與焊縫和Q235母材與焊縫有著非常明顯的熔合區(qū)，焊縫與母材間形成不規(guī)則結(jié)合且呈現(xiàn)參差不齊的分界面，非自發(fā)晶核會依附在這個表面上以柱狀晶的形態(tài)向焊縫中心生長，形成柱狀晶區(qū)。但由于在化學成分和組織性能上都有較大的不均勻性，該區(qū)域?qū)附咏宇^的強度和韌性有較大影響，如產(chǎn)生裂紋和脆性破壞。

小學英語應該得到教師和家長的重視，因為隨著我國開放程度的不斷加深，融入世界的腳步逐漸加快，英語已經(jīng)成為了世界上的主流語言，要想有更好的發(fā)展，必須從基礎抓起，那么就要在小學的英語教學中采用科學合理地方法，在翻轉(zhuǎn)課堂的教學方法中制定教學策略，以下是一些解決方法：

圖5 不同焊接電流下接頭硬度分布

在熱輸入為130 A的條件下，折線的趨勢是先下降再上升，然后再下降，可以看到在Q235熱影響區(qū)的硬度最低，這是由于熱影響區(qū)中的組織粗大和不均勻造成，P91熱影響區(qū)的硬度最高，這是由于熱影響區(qū)中粗大馬氏體的原因造成的。相反，在熱輸入160 A的條件下，折線的趨勢是先上升后下降，Q235母材的硬度低于熱影響區(qū)的硬度，這是由于高溫回火對熱輸入大的熱影響區(qū)產(chǎn)生了一定的作用，從而提高了熱影響區(qū)的硬度。比較不同保溫時間的折線可知，隨著保溫時間的延長，焊縫組織的硬度逐漸變小，保溫1.5 h的焊縫區(qū)硬度比保溫2.5 h的高約40 HV，保溫2.5 h的焊縫區(qū)硬度比保溫3.5 h的高約40 HV，這可能是隨著保溫時間的增長，黑色針狀或針葉狀的組織越來越粗大，馬氏體基體（白色部分）的面積也越來越大，進而導致硬度降低。

結(jié)合顯微組織分析表明，高溫回火對Q235/P91異種鋼熔焊接頭組織性能影響明顯，得到的組織成分復雜，焊接熱輸入和保溫時間是影響其變化的重要因素。隨著焊接熱輸入增大，熱影響區(qū)組織變粗，硬度提高。保溫時間越短，焊縫區(qū)組織越細小，硬度越高。

3 結(jié)論

采用焊條電弧焊對Q235/P91異種鋼進行焊接，研究焊接熱輸入和保溫時間對接頭組織和硬度的影響。結(jié)果表明：

（1）經(jīng)過不同保溫時間的高溫回火處理，Q235側(cè)熱影響區(qū)靠近熔合線的鐵素體組織比較細小；過熱區(qū)奧氏體晶粒發(fā)生嚴重的長大現(xiàn)象，冷卻之后得到粗大的組織；相變重結(jié)晶區(qū)得到均勻而細小的珠光體和鐵素體。P91鋼側(cè)熱影響區(qū)的完全淬火區(qū)內(nèi)主要由粗大的馬氏體組織為主。不完全淬火區(qū)主要由馬氏體和鐵素體的混合組織組成。

（2）隨著焊接熱輸入增大，熱影響區(qū)組織變粗，硬度提高。保溫時間越短，焊縫區(qū)組織越細小，硬度越高。保溫1.5 h的焊縫區(qū)硬度比保溫2.5 h的高約40 HV，保溫2.5 h的焊縫區(qū)硬度比保溫3.5 h的高約40 HV。

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Influence of high temperature temper on microstructure and properties of welded joints of fusion welding for Q235/P91 dissimilar steel

CHENG Hongsheng1，LV Jiankui1，F(xiàn)ENG Keyun1，LIU Peng2
（1.Shandong Guangyue Steeing Knuckle Co.，Ltd.，Liaocheng 252000，China；2.School of Materials Science and Engineering，Shandong Jianzhu University，Ji'nan 250101，China）

The influence of different postweld heat preservation times and high-temperature temper treatments on the microstructural characteristics and hardness distribution of welded joints of fusion welding for Q235/P91 dissimilar steel are studied by the optical metalloscope and Vickers.The results show that the heat affected zone of Q235 steel is near the fusion line，the ferritic structure in this zone is fine，the austenite grains near the overheated zone grow seriously，and the finer ferrite microstructure is obtained in the phase change recrystallization region.The heat affected zone of P91 steel are complete hardened layer and incomplete hardened layer respectively.It is exactly same as the characteristics of the heat affected zone of easy quenching steel(annealing).With the increase of welding heat input，the microstructure of heat affected zone obviously enlarges and its hardness obviously enhance.The shorter the heat preservation time,the finer the microstructure of weld zone and the higher the hardness.The average hardness of weld zone with heat preservation time of 1.5 h is more about 40 HV than that with heat preservation time of 2.5 h.The average hardness of weld zone with heat preservation time of 2.5 h is more about 40 HV than that with heat preservation time of 3.5 h.

P91 steel；Q235 steel；high-temperature temper；microstructure；hardness

TG401

A

1001－2303（2017）06－0073-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.06.16

2017-01-22；

2017-03-23

程洪生（1971—），男，工程師，學士，主要從事汽車轉(zhuǎn)向節(jié)結(jié)構(gòu)加工與成型技術(shù)開發(fā)工作。E-mail：leofengky@163.com。

本文參考文獻引用格式：程洪生，呂建魁，馮可云，等.高溫回火對Q235/P91異種鋼熔焊接頭組織結(jié)構(gòu)與性能影響[J].電焊機，2017，47（06）：73-77.