分享：不同热处理温度对09CrCuSb钢板焊缝组织和性能的影响

09CrCuSb钢被广泛应用于工业锅炉的省煤器、空气预热器、蒸发器等设备，腐蚀对此类设备的使用寿命有很大的影响^[1−3]。09CrCuSb钢主要的抗腐蚀原理为在强酸（如70 ℃、质量分数为50%的H₂SO₄溶液）环境中，材料表面发生钝化，形成一层富含Cr、Cu、Sb等合金元素的保护层^[4−6]。在连续油管的酸化作业过程中，酸液通常为质量分数10%~15%的盐酸，连续油管需要长时间在酸性介质中服役，导致材料性能劣化，管壁迅速减薄，引起服役寿命大幅缩短^[7−9]。利用09CrCuSb钢的抗腐蚀原理，可将09CrCuSb材料用于生产油田酸化作业的连续油管。 

连续油管钢带原料常常需要进行对接处理，国内通常对09CrCuSb使用手工电弧焊和钨极氩弧焊进行焊接，焊后不进行热处理，这类焊接方法焊后抗弯曲性能较差，不能抵抗连续油管生产过程中的弯曲变形^[10−11]。本文通过等离子填丝焊对09CrCuSb进行焊接，并对焊缝进行不同温度的热处理，研究了不同热处理温度对09CrCuSb钢等离子焊接焊缝的微观组织和力学性能的影响。 

1.   实验材料和方法

1.1   实验材料

采用马鞍山钢铁股份有限公司生产的10片5.2 mm×125 mm×350 mm高强度09CrCuSb钢板作为原料，其强度值为622 MPa，高于标准值390~550 MPa（参考标准为宝钢企业标准Q/BQB 340—2018）。选择与其化学成分相近的四川大西洋焊丝制品有限公司生产的CHW-40CrCuSb ?1.2 mm焊丝作为焊缝金属的填充材料，母材及焊丝的化学成分及力学性能分别见表1、表2。 

表  1  09CrCuSb钢板及CHW-40CrCuSb焊丝化学成分（质量分数） %

试样	项目	C	Si	Mn	P	S	Cr	Cu	Sb	Als	Ni	Ti
钢板	标准*	≤0.12	0.20~0.40	0.35~0.65	≤0.030	≤0.020	0.70~1.10	0.25~0.45	0.04~0.10
	实测	0.07	0.25	0.60	0.003	0.003	0.86	0.33	0.095	0.033	0.21	0.028
焊丝	标准**	≤0.12	≤0.60	0.30~0.70	≤0.025	≤0.025	0.75~1.20	≤0.50	0.04~0.10		≤0.30
	实测	0.065	0.31	0.56	0.0069	0.0021	0.96	0.32	0.067		0.18
注：*参考标准为宝钢企业标准Q/BQB 340—2018；**参考标准为GB/T 8110—2020。

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表  2  09CrCuSb钢板及CHW-40CrCuSb焊丝的常温力学性能

试样	项目	抗拉强度，Rm/MPa	屈服强度，ReL/MPa	断后伸长率，A/%
钢板	标准*	390~550	≥245	≥25
	实测	622	554	27.5
焊丝	标准**	430~600	≥330	≥20
	实测	549	454	24.5
注：*参考标准为宝钢企业标准Q/BQB 340—2018；**参考标准为GB/T 8110—2020。

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1.2   可焊性

国际焊接学会碳当量和焊后最大硬度值计算公式如式(1)和式(2)所示， 

式中，C_eq为该材料的碳当量，HV_max为该材料焊后最大维氏硬度值。 

由式(1)～(2)计算出09CrCuSb钢的碳当量C_eq=0.3577%＜0.4%，最大维氏硬度值为HV 229.2＜350，表明09CrCuSb钢无淬硬倾向，对冷裂纹不敏感。即钢材的焊接性能良好，不需要进行预热处理^[12]。 

1.3   实验方法

采用I型坡口的等离子填丝焊接工艺，将每2片材料进行板–板对接后采用单面焊双面成型焊接方法，并对焊缝进行热处理，焊接工艺参数如表3所示。焊接前对钢板进行刮边，保证无毛刺，并用无水乙醇对坡口两侧50 mm范围内进行擦拭，以清除油污、水渍、浮灰等。 

表  3  等离子填丝焊接工艺参数

焊接电 压/V	焊接电 流/A	速度/(cm/min)			流量/(L/min)
		焊接	送丝		离子气	保护气
24	200	24	120		3.0	15

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为保证焊后性能，根据碳钢的相变转变温度（A_c3）经验公式（见式(3)），计算出09CrCuSb的A_c3为909 ℃，根据A_c3温度选择880、900、920、940 ℃进行焊后热处理，保温时间20 min，冷却方式为空冷。 

1.4   焊后检测

对焊接后的焊缝进行渗透和X射线探伤，检验焊缝表面和内部是否存在缺陷，参考标准分别为ASTM E433—71(2018)（进行实验时最新标准暂未更新，故参考该标准进行测试）和ASTM E1032—2019。采用DMI5000 M金相显微镜观察不同热处理温度下焊缝的微观组织，选用腐蚀剂为质量分数4%的硝酸酒精溶液，参考标准为GB/T 13298—2015。 

采用DuraScan-70硬度计观察不同热处理温度下焊缝、热影响区（HAZ）及母材的显微硬度，试验在常温下进行，加载力为10 N，参考标准为GB/T 4340.1—2009。 

采用MTS 高性能疲劳试验机（250 kN）检测焊缝处的抗拉强度，参考标准为GB/T 228.1—2021。 

采用ZWICK PSW750示波冲击试验机检测焊缝处在−20 ℃的冲击值，参考标准为ASTM A370—22。 

采用WE-30B型万能试验机检测弯曲性能，弯曲直径为2T（T为板材的厚度），弯曲角度为180°，方式分别为正弯和背弯，检测标准为GB/T 232—2010。 

2.   结果与讨论

2.1   宏观形貌观察

对壁厚为5.2 mm 09CrCuSb进行对接焊接实验，对接后试样尺寸为5.2 mm×250 mm×350 mm，宏观形貌如图1所示。各热处理工艺下的焊缝表面光滑均匀、无明显的裂纹、孔洞等缺陷。对焊缝进行渗透检查，表面均无裂纹和细小孔洞缺陷，对整个焊缝进行X射线探伤，发现内部无气孔缺陷，符合ASTM E1032—2019 Ⅰ级合格标准。 

图  1  不同温度热处理后焊缝宏观形貌：(a)未处理；(b) 880 ℃；(c) 900 ℃；(d) 920 ℃；(e) 940 ℃

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2.2   微观组织

对09CrCuSb未经焊接板材和经过不同热处理工艺的对接焊缝进行取样，观察金相组织，结果如图2所示。未经过焊接的板材及焊缝显微组织均为铁素体+珠光体组织，其中未经过热处理的焊缝铁素体含量较多，经过热处理的焊缝铁素体组织弥散分布在珠光体组织上，当热处理温度为920 ℃时，组织更加均匀。 

图  2  未经焊接板材及不同温度热处理后焊缝的金相组织图：(a)未经焊接板材；(b)未经热处理；(c) 880 ℃；(d) 900 ℃；(e) 920 ℃；(f) 940 ℃

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2.3   微观硬度

对09CrCuSb未经焊接板材和经过不同热处理工艺的对接焊缝进行取样，检测其微观硬度（每个试样进行3次测试，取其平均值）。未经焊接板材硬度为HV 204，经过不同热处理工艺的对接焊缝硬度值如表4所示。对比发现，未经过热处理的焊缝硬度值远远超过母材的硬度值，这是焊接过程中产生的残余应力造成的。在焊接过程中，由于热输入的影响，焊接区域会出现残余应力，导致热影响区硬度升高，残余应力过大会导致材料的形变和裂纹等缺陷，从而降低其韧性和抗拉强度。通过热处理可减少或消除残余应力^[13−14]。经过热处理的焊缝，随着温度的升高焊缝硬度值呈先增大后减小趋势，当热处理温度为920 ℃时，焊缝硬度达到最大值，当温度增加至940 ℃时，硬度值有小幅度下降。 

表  4  母材及焊缝硬度，HV

热处理温度/℃	母材	热影响区	焊缝
未经热处理	205	234	234
880	200	207	211
900	202	210	212
920	200	214	215
940	195	205	210

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2.4   拉伸试验

对焊缝进行拉伸试验，抗拉强度如图3所示。随着热处理温度升高，焊缝拉伸强度呈先上升再下降的趋势，当热处理温度为920 ℃时焊缝抗拉强度最高（633 MPa），高于母材的抗拉强度（622 MPa），随后逐渐降低。 

图  3  不同热处理温度下的焊缝抗拉强度

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2.5   冲击试验

对不同热处理温度的焊缝取样，在−20 ℃进行冲击试验（进行3次实验取平均值），试验结果如表5所示。对比发现，随着热处理温度升高，焊缝的耐低温冲击性能有小幅提升。 

表  5  −20 ℃下不同热处理温度下焊缝的抗冲击性能 J

880 ℃	900 ℃	920 ℃	940 ℃
125	132	159	162

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2.6   弯曲试验

对焊缝取样，使用?10 mm（2倍厚度）弯头进行正反弯曲试验，试验结果如图5所示（各图中前2个试样为正弯，后2个为反弯）。通过对比发现，经过热处理的试样正、反弯曲后试样表面均未出现裂纹，表明经过热处理的焊缝具有良好的塑性；未经过热处理的试样正反弯曲后试样表面均出现裂纹，表明未经过热处理的焊缝塑性较差。 

图  5  不同热处理温度后弯曲试样形貌：(a)未处理；(b) 880 ℃；(c) 900 ℃；(d) 920 ℃；(e) 940 ℃

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3.   结束语

（1）各热处理工艺下的焊缝表面光滑均匀、无明显的裂纹、孔洞等缺陷。 

（2）各试样显微组织为铁素体+珠光体组织，经过热处理的焊缝，铁素体组织弥散分布在珠光体组织上，当热处理温度为920 ℃时，组织更加均匀。 

（3）经过热处理的焊缝，随着温度升高，焊缝硬度值呈先增加后减小趋势，在920 ℃时焊缝硬度值达到最大。 

（4）各试样随着热处理温度的升高，焊缝抗拉强度有小幅的上升，经过920 ℃热处理的焊缝抗拉强度最高，高于母材的抗拉强度。 

（5）热处理后的试样经过正反弯曲后，试样表面均未出现裂纹，表明经过热处理的焊缝具有良好的塑性。 

综上所述，经过等离子填丝焊的09CrCuSb钢在920 ℃下热处理拥有更加均匀的组织和更好的综合性能

来源--金属世界