焊后热处理工艺对WB36 钢焊缝组织和性能的影响

1、超（超）临界锅炉用钢及焊接技术协作网第二次论坛大会论文集焊后热处理工艺对WB36钢焊缝组织和性能的影响常建伟 黄关政 夏跃广1 邱明林1 黄杰1王学2 任遥遥2 赖荆平2（1 河南第一火电建设公司，河南 郑州，467031；2 武汉大学， 湖北 武汉， 430072）摘 要：本文通过不同热处理条件下WB36钢焊缝硬度、冲击韧性的试验与分析，研究了焊后热处理工艺对WB36钢焊缝组织和性能的影响。结果表明，该钢焊缝具有典型热处理强化特征，这种强化是因为在粒状贝氏体的边界上析出了细小的球形沉淀相而引起，综合考虑焊缝和HAZ区粗晶区性能，WB36钢热处理工艺应选择600×2h或更长恒温时间的

2、工艺。关键词：焊后热处理工艺 WB36钢 焊缝组织 性能1 前言WB36钢是德国曼内斯曼钢厂的厂标号，在德国DIN 标准中被称为15NiCuMoNb5，在EN标准中牌号是15NiCuMoNb5-6-4，在美国ASME标准中被称为1.15Ni-0.65Cu-Mo-Nb。它是一种Ni- Mo-Cu型的低合金高强钢，通过铜的沉淀强化可以提高材料的强度和抗腐蚀性能，添加一定量的Ni是为了消除由于Cu的存在而带来的高温红脆的趋势；同时加入一定量弥散分布的Nb可进一步细化晶粒，提高材料的综合性能。近年来在我国新建的亚临界、超临界、超超临界火力发电机组中应用广泛，取代SA106B、st45.8/、20G等碳

3、钢材料，制造主给水管道、联箱等，可减小壁厚近50%。WB36钢已成为国内建设的300MW及以上机组中给水系统用钢的首选材料。WB36钢一般在正火+回火状态下使用，推荐的热处理工艺为：正火900980，回火580640。组织为回火贝氏体+铁素体。2 问题由来我们在进行WB36钢焊接工艺评定时和在工程施工中，发现WB36钢焊缝的焊态硬度低于母材，进行热处理后，焊缝硬度有所提高（图1）。此外，据国外不同焊条制造厂的资料介绍，对WB36钢焊缝热处理工艺有较大差异（表12），且国内实际施工中并未按此规定执行。为此，研究焊后热处理工艺对WB36钢焊缝的组织和性能的影响，不仅可以对制定正确的热处理工艺提供帮

4、助，对实际工程施工也有很好的实际意义。图1 不同厂家焊条硬度比较表1常用进口WB36钢焊条推荐的热处理工艺焊条制造商伯乐-蒂森焊条牌号Schwarz 3 K Ni热处理工艺570-620/8h 610-650/1-6h资料来源焊条质量证明书伯乐蒂森公司电站专用焊接材料曼彻特公司电力工业Cr-Mo耐热钢焊接材料注：国电新钢种焊接技术研讨会资料推荐的焊后热处理工艺：580-620，每25mm保温1小时。This is trial version249超（超）临界锅炉用钢及焊接技术协作网第二次论坛大会论文集表2 常用进口WB36钢焊条主要技术指标主要成分焊条牌号执行标准（%）(典型值)TENACIT

5、O 65EN 757 E55 5 Mn1NiMo B T 42 H5 Ni:1.2 AWS/ASME SFA-5.5 E9018-G-H4焊缝金属机械性能（典型值）抗拉强度 （MPa）冲击功（J/cm2） 20 -4055620720 150(-60)- 硬度 （HV）Schwarz 3 K AWS A5.5 E9018-G Ni590 140 47 -220（焊缝640700110 60 中部平均硬度）注：资料来源同上，焊缝金属性能是热处理后的值。3 试验条件及试验方法管子规格：244.5×20mm；V型坡口对接； 焊接工艺：氩弧焊打底，手工电弧焊填充和盖面；焊接材料：焊丝牌号为O

6、EMO，焊条牌号为TENACITO 65，直径3.2mm；焊接位置：垂直固定；加热条件：150预热，层间温度为200，焊后保温缓冷。将管焊接接头加工成五组试样，将其中的四组进行590×2h、590×5h、590×10h、620×2h的热处理，然后测试各组试样硬度和冲击韧性；用光学显微镜、TEM分析焊缝的金相组织及其精细结构，用扫描电子显微镜冲击断口的组织特征，研究焊缝的组织性能变化规律。试验用WB36钢及焊条熔敷金属的化学成分见表3，WB36钢的机械性能见表4。表3 试验用WB36钢及焊条的化学成分（%）材 料 C Si Mn P S Cr Ni Mo

7、Cu NbWB36（实测值） 0.147 0.28 1.14 0.014 0.0079WB36（EN10216标准） 熔敷金属（TENACITO 65）0.0140.045 1.2 0.35 表4 WB36钢机械性能20时的冲击值（J/cm2）取样部位 抗拉强度（MPa） 屈服强度（MPa）平均值最小值 45 31纵向 610780 横向 610780440 44064 44This is trial version250超（超）临界锅炉用钢及焊接技术协作网第二次论坛大会论文集4 试验结果及分析4.1 焊缝的性能焊态和不同热处理工艺条件下，焊缝硬度及冲击韧性试验结果见表5表5 不同热处理条件下

8、焊缝的性能编号WN WP2 WP5 WP10工艺 HV k（J/cm2）焊态 590×2h 590×5h 590×10h186230226250244WP21 620×2h 注：母材的硬度为HV 203。硬度试验结果表明，焊态条件下，焊缝的硬度和强度最低，低于母材，不满足等强度设计要求，进行焊后热处理之后，焊缝的硬度明显提高，随着加热时间延长和加热温度的升高，强度可以进一步提高。经过590×2h的热处理，硬度由HV186增加到HV230，焊缝的强度超过母材，如将保温时间由5h增加到10h ，硬度增幅更大，强度也最高。同样的保温2h，加热温度由5

9、90升高到620，硬度也有所增加。这说明国外公司推荐延长保温时间的一个重要原因是为了提高焊缝的强度。韧性测试结果表明，无论在焊态还是在热处理状态下，焊缝的韧性都很高，热处理对焊缝韧性影响很小，没有出现回火脆化现象。回火处理过程中焊缝硬度的升高与组织变化有关。4.2 焊缝组织特征在不同状态下，焊缝的光学金相组织见图2。 分析焊缝组织变化，可以解释焊缝性能变化的原因。从光学金相来看，焊缝组织形态变化很小，焊态和热处理条件下都是很细小的粒状贝氏体组织。TEM下观察到焊缝组织精细结构见图3。通过TEM分析发现，热处理前后组织精细结构发生变化，热处理后，焊缝中析出了球形的沉淀相，分布于晶界和晶内。从衍射

10、斑点来看，它可能是多种相组成的复合沉淀相。可能是由于沉淀相的强化作用，热处理后焊缝金属的强度和硬度得以提高。与620×2h热处理相比，590×10h的热处理沉淀相析出更多、更充分，使强度和硬度增幅最大。虽然620×2h和590×10h热处理的回火当量参数相当（均为18.1），但是回火效果略有差别。适当降低温度，延长保温时间更加有利于沉淀相的析出，因此强硬化效果更好。（a）焊态251超（超）临界锅炉用钢及焊接技术协作网第二次论坛大会论文集（b）590×2h（b）590×10h热处理（c）590×10h（c）620×2

11、h热处理 图3 焊缝组织精细结构组织分析结果表明，焊缝金属在焊后热处理过程中，析出了球形的沉淀相，它们产生的沉淀硬化作用明显提高了焊缝的强度。从满足焊缝和母材等强度设计考虑，590×2h的热处理可以满足要求，但考虑到WB36钢（d）620×2h图2 焊缝的光学金相组织特征焊接热影响区的存在热处理中的脆化现象1，适当升高加热温度或延长保温时间更加有利于沉淀相的充分析出，强硬化效果更好。综合考虑，选择焊后热处理的工艺应为600×2h，或更长的恒温时间。 4.3 断口特征焊态和热处理条件下，焊接接头冲击断口特征见图4。无论是焊态还是热处理条件下，断口全部是延性很好的韧窝

12、，没有出现沿晶断裂形貌，进一步证实焊缝没有回火脆性现象。（a）焊态252超（超）临界锅炉用钢及焊接技术协作网第二次论坛大会论文集化现象。（3）WB36钢焊缝组织主要为粒状贝氏体，经过焊后热处理，在粒状贝氏体的边界上析出了细小的球形沉淀相，这一沉淀硬化作用是WB36钢焊缝强化的原因。（4）既考虑满足焊缝和母材等强度设计要求考虑，又考虑接头热影响区的脆化倾向，选择（a）焊态的热处理工艺以600×2h或更长的恒温时间为宜。参考文献1 黄关政等.焊后热处理工艺对WB36钢焊接HAZ组织和性能的影响，河南第一火电建设公司。作者简介 常建伟，1965年12月出生，河南第一火电建设公司焊接技术处处长，高级工程师，主要从事焊工技术培训、热处理、金属检验的管理与施工。（河南省平顶山市姚孟，邮编：467031，Tel/Faxjwc65）王学，1971年11月出生，武汉大学动力与机械学院材料工程系副主任，副教授、博士。近年来一直从事火电厂金属焊接的教学与科研工作，先后主持“大拘束度、碳当量偏高的ZG20MnMo（b）590×10h 热处理图4 焊缝断口形貌5 结论（1）WB36钢焊缝具有典型的热处理强化特征，焊态焊缝硬度低于母材，热处理后焊缝得以强化，达到等强设计要求，因此，WB36钢焊接接头焊后必须进行