回火時間對SA738Gr.B鋼埋弧焊熔敷金屬組織與性能的影響

張慶素, 馮偉, 胡曉波, 徐鍇, 陳波

(1.哈爾濱威爾焊接有限責任公司，黑龍江 哈爾濱 150028；2.哈爾濱焊接研究院有限公司，黑龍江 哈爾濱 150028)

0 前言

SA738Gr.B低合金鋼力學性能優良，可用于制作AP-1000和CAP1400核反應堆的安全殼[1-2]。其殼體的連接通常用埋弧焊進行。而焊縫在焊后需回火以消除應力并提高其塑韌性。溫度和時間是影響回火組織的關鍵。長期以來人們往往只注重溫度的影響，而對回火時間的影響缺乏研究。安全殼焊縫的回火溫度通常為595～620 ℃[3-4]，文中在前人研究的基礎上，進一步研究了608 ℃下，回火時間對焊縫性能的影響。

1 試驗方法

1.1 試驗材料

埋弧焊試驗所用母材為SA738Gr.B板材，其化學成分及力學性能見表1、表2。所用焊材為哈爾濱威爾焊接有限責任公司研制的Mn-Ni-Mo低合金鋼焊絲，牌號為H09MnNiMoHR，化學成分見表3，規格為φ4.0 mm；焊劑牌號為SJ18HR，與H09MnNiMoHR焊絲匹配。焊劑規格為0.25～1.70 mm，符合AWS A-5.23 F8P3-EF3-F3要求，同時滿足NB/T 47018—2017和GB/T 5293—2018的要求。

表1 SA738Gr.B板材化學成分(質量分數，%)

表2 SA738Gr.B鋼板的力學性能

表3 H09MnNiMoHR焊絲化學成分(質量分數，%)

1.2 試驗方法

按GB/T 5293—2018制備試件。室溫拉伸按GB/T 228.1—2010和GB/T 2652—2008進行，沖擊試驗按GB/T 229—2007進行，硬度測試按GB/T 231.1—2018進行。焊接電源為LINCOLN AC/DC-1000。埋弧焊工藝參數見表4。

表4 焊接工藝參數

通過對比熔敷金屬在608 ℃×0 h,608 ℃×10 h，608 ℃×24 h，608 ℃×40 h和608 ℃×48 h回火后的組織性能，分析了回火時間對其影響。

2 結果分析與討論

2.1 回火時間對熔敷金屬力學性能的影響

熔敷金屬化學成分見表5，熔敷金屬經不同時間回火后拉伸性能如圖1所示，硬度如圖2所示。由圖可知，隨回火時間的延長，熔敷金屬的屈服強度、抗拉強度、布氏硬度下降，斷后伸長率增加。其中，屈服強度從625 MPa降低到505 MPa，抗拉強度從710 MPa降低到610 MPa, 布氏硬度由246 HB降低到198 HB，斷后伸長率從21.0%增大到28.5%，斷面收縮率從68.5%增大到76.0%。可見，熔敷金屬的強度和硬度隨回火時間延長逐漸下降。

圖1 回火時間與熔敷金屬拉伸性能曲線

圖2 回火時間對熔敷金屬硬度的影響

表5 熔敷金屬化學成分(質量分數，%)

熔敷金屬沖擊韌性研究如圖3和圖4所示，隨著沖擊溫度的降低，熔敷金屬沖擊逐漸下降。沖擊溫度高于-30 ℃時，熔敷金屬沖擊吸收能量較好。沖擊溫度在-30～-50 ℃，沖擊吸收能量急速下降，沖擊溫度低于-50 ℃，沖擊吸收能量下降趨于平緩，熔敷金屬韌脆轉變溫度在-30～-50 ℃區間內。沖擊溫度小于等于-50 ℃，隨回火時間延長，沖擊韌性下降，沖擊溫度高于-30 ℃，該趨勢不明顯。

圖3 沖擊吸收能量平均值-溫度曲線圖

圖4 回火時間與沖擊吸收能量均值曲線

在回火最初的10 h內，屈服強度、抗拉強度、硬度下降迅速，而當回火時間超過10 h后，硬度下降則趨緩。此現象反映了熔敷金屬組織變化在最初的10 h內較快，隨后趨緩。

2.2 回火時間對熔敷金屬微觀組織的影響

回火時間對焊縫組織的影響如圖5和圖6所示。由圖5a, 5b知，焊后未經回火時，焊縫及重熱區組織為低碳貝氏體，其中的鐵素體晶粒呈針狀，碳化物呈細片狀析出。低碳貝氏體在608 ℃回火時，將向回火索氏體轉變，鐵素體發生回復再結晶，形態由針狀逐漸向等軸晶演變，碳化物由片狀逐漸轉變成點狀，分布于鐵素體基體上。且隨回火時間的延長，轉變程度逐漸增大，如圖6所示。

圖5 未經回火時焊縫組織

圖6 回火時間對焊縫組織的影響

回火時發生的這種組織轉變會導致強度和硬度的下降，塑性和韌性的上升，與圖1～圖4所示的結果符合。

3 結論

(1)隨回火時間的延長，熔敷金屬的屈服強度從625 MPa降低到505 MPa，抗拉強度從710 MPa降低到610 MPa, 布氏硬度由246 HB降低到198 HB，斷后伸長率從21.0%增大到28.5%，斷面收縮率從68.5%增大到76.0%。

(2)沖擊溫度≤-50 ℃，隨回火時間延長，沖擊韌性下降，沖擊溫度≥-30 ℃，該趨勢不明顯。

(3)在回火最初的10 h內，屈服強度、抗拉強度、硬度下降迅速，而當回火時間超過10 h后，硬度下降則趨緩。

(4)在608 ℃回火時，焊縫及重熱區組織由低碳貝氏體向回火索氏體轉變。鐵素體發生回復再結晶，形態由針狀轉變成等軸晶。碳化物由片狀轉變成點狀，分布于鐵素體之上。