本發(fā)明屬于金屬材料技術領域，具體說是一種焊接方法，更具體說是一種改善690MPa級低C中Mn高強韌中厚板焊接接頭低溫沖擊韌性的焊后熱處理方法。

背景技術：

690MPa級低C中Mn高強韌中厚板主要用于海洋平臺建設，海洋平臺用鋼作為工程結構用鋼在保證海洋設施安全方面起著最為重要的作用。海洋平臺用鋼在具有高強度、高韌性的同時，必須具有良好的焊接性能，這對于提高海洋平臺用鋼的安全性和使用壽命具有重要意義。

根據(jù)中國船級社提供的碳當量Ceq和焊接冷裂紋敏感指數(shù)PCM計算公式：

Ceq＝C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15(％)

PCM＝C+Si/30+Mn/20+Cu/20+Ni/60+Cr/20+Mo/15+V/10+5B(％)

可知，低C中Mn中厚板的碳當量較高、焊接冷裂紋傾向較大。因此，690MPa級低C中Mn高強韌中厚板必須進行相應的焊前預熱和焊后熱處理。

另外，在焊接過程中，焊縫兩側的熱影響區(qū)(Heat Affected Zone，簡稱HAZ)受到很大的熱擾動，HAZ區(qū)域具有升溫時間短、升溫溫度高、冷卻速度快等特點，導致HAZ成為焊接接頭組織和性能變化梯度最大的區(qū)域。另外，熔合線處存在著顯著的物理化學成分不均勻的性，以及嚴重的應力集中。因此，HAZ及熔合線的組織和性能直接影響焊接接頭的質(zhì)量。

雖然690MPa級低C中Mn高強韌中厚板的制備技術已日趨成熟，使用比例亦逐年增加，但國內(nèi)對其焊接性的研究工作很少，可用于指導工程應用的研究成果幾乎沒有。鑒于這一現(xiàn)狀，有必要深入地研究690MPa級低C中Mn高強韌中厚板焊接性能。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明在現(xiàn)有焊接后熱技術基礎上并針對其不足，提出一種兩相區(qū)回火的焊后熱處理工藝，以提高690MPa級低C中Mn高強韌中厚板焊接接頭的低溫沖擊韌性。具體技術方案是：

一種改善690MPa級低C中Mn高強韌中厚板焊接接頭低溫沖擊韌性的焊后熱處理方法，是一種α+γ兩相區(qū)回火的焊后熱處理方法，以提高690MPa級低C中Mn高強韌中厚板焊接接頭的低溫沖擊韌性；

所述的690MPa級低C中Mn高強韌中厚板化學組成按重量百分比為：C:0.038～0.07％，Mn:4.97～5.45％,Si:0.19～0.20％，S:0.0012～0.006％，P:0.004～0.009％，Al:0.01～0.023％，Cu:0.12～0.31％，Ni:0.21～0.32％，Mo:0.16～0.23％，Cr:0.39～0.42％，余量為Fe和其他不可避免的雜質(zhì)；

所述的690MPa級低C中Mn高強韌中厚板組織為回火馬氏體及細小穩(wěn)定的逆轉變奧氏體。

所述的焊接方法為氣體保護焊；焊絲直徑1.2mm。

工藝參數(shù)如下：

(1)保護氣體為80％Ar+20％CO₂，保護氣體流量15～20L/min；

(2)焊前預熱溫度150～200℃；

(3)采用多層多道焊接工藝，焊接電流200～250A，焊接電壓25～30V，焊接速度5mm/s，焊接熱輸入10～15KJ/cm；

(4)層間溫度150～200℃；

(5)焊后熱處理工藝：630～650℃保溫15～30min，空冷至室溫。

所述的690MPa級低C中Mn高強韌中厚板厚度20～30mm，屈服強度720～735MPa，抗拉強度780～840MPa，延伸率24.0～27.5％，-40℃沖擊功149～186J。

所述焊絲的力學性能為：屈服強度≥620MPa，抗拉強度700～890MPa，延伸率≥18％，-40℃沖擊功≥47J。

經(jīng)檢驗，經(jīng)相同預熱溫度、相同焊接工藝參數(shù)焊接的中錳中厚板，焊后兩相區(qū)回火熱處理工藝(630～650℃保溫15～30min，空冷至室溫)的焊接接頭較傳統(tǒng)后熱工藝(200℃保溫120min，空冷至室溫)的焊接接頭低溫沖擊韌性更高、塑性更優(yōu)，且消除了焊接接頭處的硬度梯度。

與傳統(tǒng)后熱工藝相比，本發(fā)明的優(yōu)勢在于：

焊后熱處理工藝不僅消除了焊接產(chǎn)生的熱應力、排除焊縫在焊接過程中產(chǎn)生的氫脆，而且均勻了焊縫和熱影響區(qū)的組織、細化焊縫和熱影響區(qū)的晶粒，使焊縫金屬與母材金屬更好地融合。焊后經(jīng)兩相區(qū)回火熱處理后的焊接接頭性能優(yōu)良：屈服強度、抗拉強度均高于母材，延伸率≥20％，熔合線、粗晶區(qū)及細晶區(qū)-40℃沖擊功≥47J。滿足Q690D級的焊接接頭低溫沖擊韌性要求。此外，本發(fā)明方法操作過程簡單，易實現(xiàn)工業(yè)化批量生產(chǎn)。

附圖說明

圖1為實施例1焊后200℃保溫120min，空冷至室溫的焊接熱影響區(qū)粗晶區(qū)的TEM精細形貌；

圖2為實施例2焊后650℃保溫15min，空冷至室溫的焊接熱影響區(qū)粗晶區(qū)的TEM精細形貌；

圖3為實施例3焊后630℃保溫30min，空冷至室溫的焊接熱影響區(qū)粗晶區(qū)的TEM精細形貌。

具體實施方式

本發(fā)明中實施例1、2中的焊接母材在東北大學軋制技術及連軋自動化國家重點實驗室設計制造的Φ450熱軋機進行軋制，加熱爐為高溫箱式電阻爐，型號為RX4-85-13B；實施例3中的焊接母材在鞍山鋼鐵公司中厚板廠進行軋制。

本發(fā)明中的焊接設備采用東北大學軋制技術及連軋自動化國家重點實驗室半自動氣體保護焊焊機，型號為Quinto GLC403；

本發(fā)明中實施例1、2中的焊絲為CARBOFIL ER100S-G低合金高強鋼實芯氣保焊絲，焊絲成分為0.08C，1.80Mn，0.60Si，0.015P，0.018S，1.0Ni，0.4Mo，屈服強度≥620MPa，抗拉強度700～890MPa，延伸率≥18％，-40℃沖擊功≥47J；本發(fā)明中實施例3中的焊絲為CHW-100GX ER110S-G高強鋼氣體保護焊焊絲，焊絲成分為0.088C，1.75Mn，0.51Si，0.009P，0.007S，2.21Ni，0.51Mo，0.28Cr，0.25Cu，屈服強度670MPa，抗拉強度830MPa，延伸率≥19％，-40℃沖擊功75J。

本發(fā)明焊接接頭熱處理采用的加熱爐為箱式電阻爐，型號為RX-36-10。

實施例中觀測金相組織的設備為萊卡DMIRM 2500M金相顯微鏡。

實施例1

傳統(tǒng)后熱工藝(200℃保溫120min，空冷至室溫)，工藝步驟如下：

(1)焊接工藝

將20mm厚的低C中Mn高強韌中厚板加工成對稱的雙V型坡口，單邊坡口30°，鈍邊2mm，組對間隙1.5mm。對坡口兩側的待焊接板材表面進行打磨，去除氧化鐵皮和鐵屑，將待焊接板材四周用螺栓固定，然后進行Ar+CO₂混合氣體保護定位焊。

定位焊結束后，采用火焰槍對焊縫及周圍200mm范圍內(nèi)進行預熱，預熱溫度150～200℃。預熱后對中錳中厚板進行焊接，焊接電流200A，焊接電壓25V，氣體流量15L/min，焊接速度5mm/s，焊接線能量10KJ/cm。焊接過程中，層間溫度控制在150～200℃。

(2)后熱工藝

將填充焊結束后的焊接板在放入200℃電阻爐中，保溫120min，消除焊接應力，并使焊接引入氫原子能夠充分擴散，避免產(chǎn)生氫致裂紋，隨后空冷至室溫，測定焊接接頭的拉伸性能、沖擊性能及硬度值。

經(jīng)檢測，焊接接頭的屈服強度為778MPa，抗拉強度為843MPa，屈強比0.92，延伸率15.37％，母材處發(fā)生斷裂；焊接接頭各區(qū)域-40℃沖擊功分別為：焊縫52J、熔合線28J、粗晶區(qū)48J、細晶區(qū)76J；焊接接頭各區(qū)域硬度值分別為：焊縫310HV、熔合線304HV、粗晶區(qū)343HV、細晶區(qū)362HV、混晶區(qū)285HV、母材279HV。

實施例2

焊后熱處理工藝(650℃保溫15min，空冷至室溫)，工藝步驟如下：

(1)焊接工藝

焊接工藝同實施例1，焊接過程及焊接工藝參數(shù)均與實施例1相同。

(2)焊后熱處理工藝

將填充焊結束后的焊接板在放入650℃電阻爐中，保溫15min(焊接鋼板加熱至650℃需35min)，消除焊接產(chǎn)生的熱應力、排除焊縫在焊接過程中產(chǎn)生的氫脆，同時均勻焊縫和熱影響區(qū)的組織、細化焊縫和熱影響區(qū)的晶粒，降低焊接接頭硬化程度，使焊縫金屬與母材金屬更好地融合。隨后空冷至室溫，測定焊接接頭的拉伸性能、沖擊性能及硬度值。

經(jīng)檢測，焊接接頭的屈服強度為763MPa，抗拉強度為848MPa，屈強比0.90，延伸率21.8％，母材處發(fā)生斷裂；焊接接頭各區(qū)域-40℃沖擊功分別為：焊縫53J、熔合線72J、粗晶區(qū)74J、細晶區(qū)84J，焊接接頭各區(qū)域的低溫沖擊韌性達到了Q690D級焊接接頭低溫沖擊韌性的要求；焊接接頭各區(qū)域硬度值分別為：焊縫310HV、熔合線311HV、粗晶區(qū)275HV、細晶區(qū)289HV、混晶區(qū)279HV、母材276HV，粗晶區(qū)、細晶區(qū)和混晶區(qū)的硬度與母材硬度基本持平，究其原應是由于焊后兩相區(qū)回火熱處理，使熱影響區(qū)硬度均勻化，降低了焊接接頭冷裂紋敏感性。

實施例3

焊后熱處理工藝(630℃保溫30min，空冷至室溫)，工藝步驟如下：

(1)焊接工藝

將30mm厚的低C中Mn高強韌中厚板加工成對稱的雙V型坡口，單邊坡口30°，鈍邊2mm，組對間隙2mm。對坡口兩側的待焊接板材表面進行打磨，去除氧化鐵皮和鐵屑，將待焊接板材四周用螺栓固定，然后進行Ar+CO₂混合氣體保護定位焊。

定位焊結束后，采用火焰槍對焊縫及周圍200mm范圍內(nèi)進行預熱，預熱溫度150～200℃。預熱后對中錳中厚板進行焊接，焊接電流250A，焊接電壓30V，氣體流量20L/min，焊接速度5mm/s，焊接線能量15KJ/cm。焊接過程中，層間溫度控制在150～200℃。

(2)后熱工藝

將填充焊結束后的焊接板在放入630℃電阻爐中，保溫30min(焊接鋼板加熱至630℃需50min)，消除焊接應力，排除焊縫在焊接過程中產(chǎn)生的氫脆，同時均勻焊縫和熱影響區(qū)的組織、細化焊縫和熱影響區(qū)的晶粒，降低焊接接頭硬化程度，使焊縫金屬與母材金屬更好地融合。隨后空冷至室溫，測定焊接接頭的拉伸性能、沖擊性能及硬度值。

經(jīng)檢測，焊接接頭的屈服強度為713MPa，抗拉強度為854MPa，屈強比0.83，延伸率23.5％，母材處發(fā)生斷裂；焊接接頭各區(qū)域-40℃沖擊功分別為：焊縫48J、熔合線70J、粗晶區(qū)110J、細晶區(qū)198J，焊接接頭各區(qū)域的低溫沖擊韌性達到了Q690D級焊接接頭的低溫沖擊韌性要求；焊接接頭各區(qū)域硬度值分別為；焊接接頭各區(qū)域硬度值分別為：焊縫290HV、熔合線314HV、粗晶區(qū)295HV、細晶區(qū)304HV、混晶區(qū)293HV、母材279HV。粗晶區(qū)、細晶區(qū)和混晶區(qū)的硬度與母材硬度基本持平。

在實際焊接過程中，焊縫兩側的熱影響區(qū)(Heat Affected Zone，簡稱HAZ)受到很大的熱擾動，HAZ區(qū)域具有升溫時間短、升溫溫度高、冷卻速度快等特點，導致HAZ成為焊接接頭組織和性能變化梯度最大的區(qū)域。因此，HAZ的組織和性能直接影響焊接接頭的質(zhì)量。其中粗晶區(qū)往往成為焊接熱影響性能最薄弱的環(huán)節(jié)，粗晶熱影響區(qū)的性能往往決定著焊接接頭的性能。

實施例1的焊接接頭的粗晶熱影響區(qū)的TEM精細形貌如圖1所示。由圖1可知，實施例1的焊接接頭的粗晶熱影響區(qū)組織為高位錯密度的板條馬氏體，馬氏體板條寬度在300-800nm之間。馬氏體具有較高的強度和硬度，但韌性較差，屬于硬脆相。當材料受到?jīng)_擊載荷時，馬氏體組織無法有效地阻礙裂紋的擴展，因而實施例1的焊接接頭低溫沖擊韌性相對較差。

實施例2、實施例3的焊接接頭的粗晶熱影響區(qū)的TEM精細形貌分別如圖2、圖3所示。由圖2、3可知，實施例2、實施例3的焊接接頭的粗晶熱影響區(qū)組織為回火馬氏體+逆轉變的奧氏體，馬氏體板條束間均勻分布著長條狀的逆轉變奧氏體，逆轉變奧氏體寬度約100-200nm之間。

在回火保溫過程中，馬氏體板條中的C、Mn原子不斷地向逆轉變的奧氏體中擴散，逆轉變奧氏體中的C、Mn含量不斷升高，穩(wěn)定性不斷增強。在隨后的空冷過程中，穩(wěn)定性較強的這部分逆轉變奧氏體保留到室溫。當受到?jīng)_擊載荷時，逆轉變奧氏體轉變?yōu)轳R氏體，提高了材料的沖擊韌性，有效地阻礙了裂紋的擴展，這就是逆轉變奧氏體產(chǎn)生的TRIP效應。