模擬焊后熱處理溫度對Q345R鋼板焊接接頭的焊接殘余應力及力學性能的影響

李 崗, 齊文寬, 史 偉, 趙錫龍, 俄 馨, 蘇亞寧, 梁小武

(1.蘭州蘭石檢測技術有限公司, 蘭州 730314;2.甘肅省機械裝備材料表征與安全評價工程實驗室, 蘭州 730314;3.傳感及檢測技術應用研究中心, 蘭州 730314；4.蘭州交通大學 材料科學與工程學院, 蘭州 730070;5.蘭州蘭石重型裝備股份有限公司, 蘭州 730314)

使用大厚度鋼板制造壓力容器時，通常采用多道焊接的方式，焊接過程中焊縫金屬經歷多次熱循環，造成焊接件的焊接殘余應力很復雜，在熔合線附近殘余應力梯度較大[1]。由于焊接殘余應力的存在，焊接件接頭處易產生各種裂紋，其抗應力腐蝕能力降低，從而影響焊接件的疲勞性能和服役壽命[2-3]。壓力容器在焊接加工后的焊接殘余應力較大，一般采用模擬焊后熱處理消除部分殘余應力，但應力分布隨之發生變化，故研究模擬焊后熱處理對壓力容器焊接殘余應力的影響顯得尤為重要。

筆者以厚度46 mm的Q345R鋼多道焊接試板為研究對象，分析了熱處理溫度對Q345R鋼板焊接接頭的焊接殘余應力及力學性能的影響。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料為Q345R鋼板，其厚度為46 mm，采用埋弧自動焊接法進行焊接，焊接參數見表1。將焊接鋼板鋸切為4塊試板，尺寸均為150 mm×250 mm×46 mm，分別編號為1～4，進行模擬焊后熱處理試驗，其工藝參數見表2。

表1 Q345R鋼板的焊接參數

表2 模擬焊后熱處理試驗的工藝參數

1.2 試驗方法

依據GB/T 31310-2014《金屬材料 殘余應力測定 鉆孔應變法》標準，按圖1所示的位置進行焊接殘余應力測試。沿垂直試板焊縫方向取截面尺寸為46 mm×30 mm的全板厚橫向拉伸試樣，依據GB/T 228.1-2010《金屬材料拉伸試驗 第1部分 室溫試驗方法》標準進行拉伸試驗。依據GB/T 2653-2008《焊接接頭彎曲試驗方法》標準進行側彎試驗。依據GB/T 4340.1-2009《金屬材料維氏硬度試驗第1部分:試驗方法》標準進行維氏硬度試驗。

圖1 焊接殘余應力測試位置示意

2 試驗結果與分析

2.1 模擬焊后熱處理溫度對試板焊接殘余應力的影響

由表3和圖2可見：試板在距熱影響區2 mm左右處的焊接殘余應力最大；隨著距熱影響區距離越近，焊接殘余應力越小，焊縫和熱影響區的焊接殘余應力均超過了母材的焊接殘余應力；試板表面殘余應力與距熔合線距離的關系曲線大致呈“M”形。對比不同方向的焊接殘余應力可知，試板x方向的焊接殘余應力最大為255.9 MPa，y方向的焊接殘余應力最大為242.3 MPa，在相同熱處理工藝條件下，試板x方向和y方向的焊接殘余應力相差不大。隨著熱處理溫度的升高，試板的焊接殘余應力下降，試板經620 ℃×2 h模擬熱處理后，其焊接殘余應力基本消除。

表3 不同試板經模擬焊后熱處理后的焊接殘余應力測試結果

圖2 不同試板經模擬焊后熱處理后的焊接殘余應力分布

2.2 模擬焊后熱處理溫度對試板力學性能的影響

2.2.1 拉伸性能和彎曲性能

由圖3可見，拉伸試樣的斷裂位置均位于焊縫中心，隨著模擬熱處理溫度的升高，試樣的屈服強度和抗拉強度有所降低，屈服強度下降了31 MPa，抗拉強度下降了25 MPa。側彎試驗后未發現肉眼可見的裂紋。

圖3 不同試板經模擬焊后熱處理后的抗拉強度和屈服強度

2.2.2 硬度

表4中T表示試板的厚度。由表4和圖4可見：隨模擬熱處理溫度的升高，試板的硬度逐漸下降；試板熱影響區的硬度比焊縫、母材的硬度高，其硬度與距焊縫中心距離的關系曲線大致呈“M”形；試板上表面、下表面的硬度比1/4T，3/4T位置處的硬度高，試板1/4T，3/4T位置處的硬度比1/2T位置處的硬度高。

表4 不同試板經模擬焊后熱處理后的維氏硬度測試結果 HV10

圖4 不同試板經模擬焊后熱處理后的硬度分布

3 討論

殘余應力測試結果表明，隨著模擬焊后熱處理溫度的升高，Q345R鋼焊接試板的焊接殘余應力逐步降低，經620 ℃×2 h模擬焊后熱處理后，試板的焊接殘余應力基本消除。在模擬焊后熱處理過程中，試板內部產生了一定的塑性變形，降低了溫度應力和相變應力，當熱處理溫度提高到620 ℃時，溫度應力和相變應力基本消除。

拉伸及硬度測試結果表明：隨著模擬焊后熱處理溫度的升高，Q345R鋼焊接試板的抗拉強度有所降低；試板不同厚度處的硬度呈現不同程度的降低，其中熱影響區的硬度由300 HV10逐步降低到200 HV10，焊縫區硬度由210 HV10逐步降低到160 HV10，母材區硬度基本不變。

在模擬焊后熱處理過程中，隨熱處理溫度的提高，試板材料發生回復，位錯運動消失造成強度下降。同時，熱處理會使試板材料中的析出物聚集、長大，隨熱處理溫度的升高，析出強化效應逐漸下降[4]，最終導致焊接殘余應力下降，抗拉強度略微降低，硬度逐漸降低。

4 結論

(1) 隨模擬焊后熱處理溫度由400 ℃提高至620 ℃，Q345R鋼焊接試板的焊接殘余應力逐漸減小，經620 ℃熱處理后，可基本消除其焊接殘余應力。

(2) 隨著模擬焊后熱處理溫度的提高，Q345R鋼焊接試板的抗拉強度有所降低，硬度有不同程度的降低，其中熱影響區的硬度降低最明顯，焊縫硬度次之，母材硬度基本不變。