Ni-Cr-Mo低合金結(jié)構(gòu)鋼鑄件焊接接頭金相組織和硬度分析

王全敬

摘要：在焊接工藝評定中，通過對焊接接頭的組織分析，為制定焊后熱處理提供依據(jù)。文中研究了四個焊后熱處理工藝，進行了熱處理硬度檢測實驗對比，確定了640℃保溫120min的焊后熱處理工藝，使焊接接頭的硬度控制在22HRC以下，滿足了焊接接頭的功能和在酸性環(huán)境下耐應(yīng)力腐蝕的要求。

關(guān)鍵詞：低合金結(jié)構(gòu)鋼;焊接接頭;組織;性能

0? 引言

隨著石油鉆井行業(yè)向縱深方向發(fā)展，石油鉆采設(shè)備應(yīng)具有抗硫化氫應(yīng)力腐蝕的能力，而且隨著時間的推移，設(shè)備周期性的修理和修復(fù)在所難免。設(shè)備的維修任務(wù)日益加重，美國石油協(xié)會已發(fā)布相應(yīng)的鉆通設(shè)備維修規(guī)范，用以規(guī)范鉆采設(shè)備維修市場各參與方的行為。而維修過程中重要部位的修復(fù)性堆焊是普遍采用的方式，所以堆焊焊接接頭的質(zhì)量尤為重要。堆焊后熱處理溫度的選擇及其對保證焊接接頭質(zhì)量起到了至關(guān)重要的作用。焊接接頭既要保證設(shè)備功能要求，又要具有抗硫化氫應(yīng)力腐蝕的能力，保證鉆采設(shè)備在酸性環(huán)境中服役時耐酸性應(yīng)力腐蝕，確保設(shè)備安全可靠。

Ni-Cr-Mo低合金結(jié)構(gòu)鋼鑄件因其良好的焊接性廣泛應(yīng)用于石油天然氣鉆采設(shè)備的承載件中。因焊接接頭的組織和硬度很大程度上決定了承載件的應(yīng)力腐蝕特性，NACE 0175中對焊接接頭的硬度做了嚴格的規(guī)定，不超過22HRC（237HB），組織決定硬度，本文著眼于組織分析，進而制定有效的焊后熱處理制度。

1? 實驗部分

1.1 材料情況

選擇生產(chǎn)用料，其化學(xué)成分滿足設(shè)備制造要求。母材的化學(xué)成分光譜分析，檢驗結(jié)果列入表1，焊材的化學(xué)成分列入表2。

1.2 焊接接頭組織分析

以氬弧焊堆焊為例：

準(zhǔn)備焊接試板，尺寸240×200×40mm，并經(jīng)調(diào)質(zhì)處理，熱處理參數(shù)為870℃保溫120min淬火，690℃保溫150min回火，調(diào)質(zhì)后的硬度在210-234HBW范圍內(nèi)，滿足產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)要求。

焊接采用自動焊，焊機型號為福尼斯自動焊機。堆焊二層，焊層總厚度4mm。焊前200℃預(yù)熱，焊后350℃保溫2h，隨后空氣中冷卻至室溫。

①制備金相試樣：從焊接試板上切取焊接接頭金相試樣，尺寸15×15×20mm，包含原始焊縫、熱影響區(qū)和母材，4%硝酸酒精腐蝕后形貌見圖1。經(jīng)腐蝕的金相試樣上可見焊縫、熱影響區(qū)和母材的分界線。

②微觀形貌分析：

設(shè)備：ZEISS金相顯微鏡

規(guī)格型號：Scope.A1

對圖1試樣進一步砂紙打磨并拋光，經(jīng)4%硝酸酒精腐蝕后，放在金相顯微鏡下分別觀察焊材、熱影響區(qū)和母材的組織，詳見圖2。

圖2中，在熱影響區(qū)可見板條狀的馬氏體組織，母材為回火索氏體組織。

③顯微硬度檢測：

設(shè)備：維氏硬度計

規(guī)格型號：HV-1000

在熱影響區(qū)的馬氏體處進行顯微硬度測量，載荷0.3kg，硬度值為441HV0.3，詳見圖3。其余部分的硬度測量值分別為：焊材240HV0.3，母材232HV0.3。

1.3 焊后熱處理

焊后熱處理實驗的四個工藝方案、熱影響區(qū)的顯微硬度檢測及按ASTM E140《金屬硬度轉(zhuǎn)換表》換算成布氏硬度的檢測結(jié)果詳見表3。

2? 實驗結(jié)果、分析與討論

從圖2和圖3中可以得出結(jié)論，焊接接頭組織最劣處位于熱影響區(qū)。圖3中的熱影響區(qū)中存在大量的馬氏體組織，馬氏體為不穩(wěn)定組織，且硬度高、強度高、塑性低、韌性低，增加了材料的脆性。在酸性環(huán)境下使用時，馬氏體是在酸性環(huán)境下不耐應(yīng)力腐蝕的組織。

對上述焊接接頭焊后熱處理工藝參數(shù)及檢驗結(jié)果類比，表3中方案1和方案2的硬度值仍然高于標(biāo)準(zhǔn)要求值，方案3和方案4硬度檢測值差距不大，均低于HRC22（237HB），從生產(chǎn)周期、排產(chǎn)、效率等綜合考慮，選擇方案3，既能滿足要求，又不造成能源的浪費。

3? 結(jié)論

①焊前預(yù)熱和焊后保溫的措施不足以改善焊接接頭熱影響區(qū)的組織和硬度。應(yīng)隨后進行焊后熱處理，適當(dāng)?shù)暮负鬅崽幚頊囟群蜁r間能夠降低熱影響區(qū)的硬度，滿足焊接接頭硬度HRC22以下的要求。②焊后熱處理溫度選用640℃能夠滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，120min為合理的保溫時間。

參考文獻：

[1]薄國公，王勇，韓濤，李立英，等.焊后熱處理對 ASTM 4130 鋼焊接熱影響區(qū)組織與性能的影響[J].金屬熱處理，2011，36（2）：83-87.