分享：模拟焊后热处理温度对 Q345R钢板焊接接头的 焊接残余应力及力学性能的影响

李 岗1,2,3,齐文宽1,2,3,史 伟1,2,3,赵锡龙4,俄 馨1,2,3,苏亚宁1,2,3,梁小武5

(1.兰州兰石检测技术有限公司,兰州 730314;2.甘肃省机械装备材料表征与安全评价工程实验室,兰州 730314;

3.传感及检测技术应用研究中心,兰州 730314;4.兰州交通大学 材料科学与工程学院,兰州 730070; 

5.兰州兰石重型装备股份有限公司,兰州 730314)

摘 要:通过热处理试验、残余应力测试、拉伸试验、弯曲试验、硬度试验等方法,分析了模拟焊 后热处理温度对 Q345R钢板焊接接头的残余应力及力学性能的影响。结果表明:随模拟焊后热处 理温度由400 ℃提高至620 ℃,Q345R钢板焊接接头的残余应力逐渐减小,经620 ℃热处理后,可 基本消除其焊接残余应力;随着模拟焊后热处理温度的提高,Q345R 钢板焊接接头的抗拉强度有 所降低,不同区域的硬度有不同程度的降低,其中热影响区的硬度降低最明显,焊缝硬度次之,母材 硬度基本不变。 

关键词:Q345R钢;焊接接头;残余应力;模拟焊后热处理;力学性能 

中图分类号:TG115 文献标志码:A 文章编号:1001-4012(2022)03-0010-04

使用大厚度钢板制造压力容器时,通常采用多 道焊接的方式,焊接过程中焊缝金属经历多次热循 环,造成焊接件的焊接残余应力很复杂,在熔合线附 近残余应力梯度较大[1]。由于焊接残余应力的存 在,焊接件接头处易产生各种裂纹,其抗应力腐蚀能 力降低,从 而 影 响 焊 接 件 的 疲 劳 性 能 和 服 役 寿 命[2-3]。压力容器在焊接加工后的焊接残余应力较大,一般采用模拟焊后热处理消除部分残余应力,但 应力分布随之发生变化,故研究模拟焊后热处理对 压力容器焊接残余应力的影响显得尤为重要。

笔者以厚度46mm 的 Q345R钢多道焊接试板 为研究对象,分析了热处理温度对 Q345R钢板焊接 接头的焊接残余应力及力学性能的影响。 

1 试验材料与方法 

1.1 试验材料 

试验材料为 Q345R 钢板,其厚度为46mm,采 用埋弧自动焊接法进行焊接,焊接参数见表1。将 焊 接 钢 板 锯 切 为 4 块 试 板,尺 寸 均 为 150 mm× 250mm×46mm,分别编号为1~4,进行模拟焊后 热处理试验,其工艺参数见表2。

1.2 试验方法 

依据 GB/T31310-2014《金属材料 残余应力 测定 钻孔应变法》标准,按图1所示的位置进行焊 接残余应力测试。沿垂直试板焊缝方向取截面尺寸 为46mm×30mm 的 全 板 厚 横 向 拉 伸 试 样 ,依 据 GB/T228.1-2010《金属材料拉伸试验 第1部分 室 温试验方法》标准进行拉伸试验。依据 GB/T2653- 2008《焊接接头弯曲试验方法》标准进行侧弯试验。 依据 GB/T4340.1-2009《金属材料维氏硬度试验第 1部分:试验方法》标准进行维氏硬度试验。 

2 试验结果与分析 

2.1 模拟焊后热处理温度对试板焊接残余应力的 影响 

由表3和图2可见:试板在距热影响区2 mm 左右处的焊接残余应力最大;随着距热影响区距离 越近,焊接残余应力越小,焊缝和热影响区的焊接残 余应力均超过了母材的焊接残余应力;试板表面残 余应力与距熔合线距离的关系曲线大致呈“M”形。 对比不同方向的焊接残余应力可知,试板x 方向的 焊接残余应力最大为255.9 MPa,y 方向的焊接残 余应力最大为242.3 MPa,在相同热处理工艺条件 下,试板x 方向和y 方向的焊接残余应力相差不 大。随着热处理温度的升高,试板的焊接残余应力 下降,试板经620 ℃×2h模拟热处理后,其焊接残 余应力基本消除。

2.2 模拟焊后热处理温度对试板力学性能的影响

2.2.1 拉伸性能和弯曲性能 

由图3可见,拉伸试样的断裂位置均位于焊缝 中心,随着模拟热处理温度的升高,试样的屈服强度 和抗拉强度有所降低,屈服强度下降了31 MPa,抗 拉强度下降了25 MPa。侧弯试验后未发现肉眼可 见的裂纹。

2.2.2 硬度 表4中 T 表示试板的厚度。

由表4和图4可 见:随模拟热处理温度的升高,试板的硬度逐渐下 降;试板热影响区的硬度比焊缝、母材的硬度高,其 硬 度与距焊缝中心距离的关系曲线大致呈“M”形; 试板上表面、下表面的硬度比 1/4T,3/4T 位置处 的硬度高 位置处的硬,试度板高1。/4T,,3/4T 位置处的硬度比1/2T位置处的硬度高。

3 讨论

残余应力测试结果表明,随着模拟焊后热处理 温度的升高,Q345R钢焊接试板的焊接残余应力逐 步降低,经620 ℃×2h模拟焊后热处理后,试板的 焊接残余应力基本消除。在模拟焊后热处理过程 中,试板内部产生了一定的塑性变形,降低了温度应 力和相变应力,当热处理温度提高到620℃时,温度 应力和相变应力基本消除。 拉伸及硬度测试结果表明:随着模拟焊后热处 理温度的升高,Q345R钢焊接试板的抗拉强度有所 降低;试板不同厚度处的硬度呈现不同程度的降低, 其中 热 影 响 区 的 硬 度 由 300 HV10 逐 步 降 低 到 200HV10,焊缝 区 硬 度 由 210 HV10 逐 步 降 低 到 160HV10,母材区硬度基本不变。 在模拟焊后热处理过程中,随热处理温度的提 高,试板材料发生回复,位错运动消失造成强度下 降。同时,热处理会使试板材料中的析出物聚集、长 大,随热 处 理 温 度 的 升 高,析 出 强 化 效 应 逐 渐 下 降[4],最终导致焊接残余应力下降,抗拉强度略微降 低,硬度逐渐降低。

4 结论

(1)随模拟焊后热处理温度由 400 ℃ 提高至 620℃,Q345R钢焊接试板的焊接残余应力逐渐减 小,经 620 ℃ 热 处 理 后,可 基 本 消 除 其 焊 接 残 余 应力。

(2)随着模拟焊后热处理温度的提高,Q345R 钢焊接试板的抗拉强度有所降低,硬度有不同程度 的降低,其中热影响区的硬度降低最明显,焊缝硬度 次之,母材硬度基本不变。

参考文献: 

[1] 刘柏清,王新华,陈冬青,等.Q345钢对接焊缝的残余 应力测试[J].理化检验 (物 理 分 册),2015,51(11): 769-771. [2] WITHERSPJ.Residualstressanditsroleinfailure [J].ReportsonProgressinPhysics,2007,70(12): 2211-2264. [3] 刘川,沈嘉斌,陈东俊,等.大厚板内部焊接残余应力 分布实验研究[J].船舶力学,2020,24(4):484-491. [4] 董富军,张留洪,刘小林.模拟焊后热处理对630 MPa 压力容器用钢组织和性能的影响[J].金属材料与冶 金工程,2017,45(S1):76-80.

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