SUMITEN610F-TMC钢焊接接头消氢及消应热处理比对分析

陈忠敏

（中国水利水电第十四工程局有限公司，云南昆明650032）

SUMITEN610F-TMC钢焊接接头消氢及消应热处理比对分析

陈忠敏

（中国水利水电第十四工程局有限公司，云南昆明650032）

SUMITEN610F-TMC钢属低碳高强度钢，强度等级610 MPa，高强钢焊接工艺参数的合理性至关重要。本文通过在相同焊接方法、焊接条件及焊接参数下，采取分组焊接工艺评定比对，进行拉伸、冲击、弯曲、硬度及宏观金相试验，分析及评估消氢及消应焊后热处理对SUMITEN610F-TMC钢的焊接接头综合机械性能的影响，为该材料的焊后热处理选择提供施工经验与技术借鉴。

SUMITEN610F-TMC钢；焊接接头；消氢及消应热处理；比对分析

1　引言

科卡科多辛克雷（Coca codo Sinclair简称CCS）水电站工程共布置2条压力管道，1管4机，主管进口内径5.2m，支管出口内径2.6m，工程量约为10000t，其中岔管管壁最厚88 mm，肋板最大厚度170 mm。压力钢管材料采用日本住友金属工业株式会社SUMITEN610钢，钢板厚度100 mm以下按TMCP（控温控轧）状态交货，材料牌号SUMITEN610F-TMC；钢板厚度100 mm以上按QT（调质）状态交货，材料牌号SUMITEN610Z。该材料含碳量、碳当量及裂纹敏感性低，焊接性能好，强度等级610 MPa。

CCS电站主合同约定：该电站所有设计及施工项目均采用美国技术标准。SUMITEN610钢未收集在ASME规范材料标准中，无法对应规范中的钢板类别号，焊后热处理的选择无技术标准可供参考。施工前，业主及咨询要求钢管所有对接焊缝进行600℃×2 h焊后热处理消应（PWHT），中国承建方建议高强钢不宜做焊后热处理消应［1］，焊后消氢处理可以一定程度减小高强钢的焊接残余应力［2］，在选取相互匹配的焊材和合适的焊接工艺情况下，进行200℃×2 h的消氢后热处理，即可获得合格的焊接接头。但业主及咨询坚持己见，无法说服。

经与业主及咨询协商，采取分组焊接试验比对方法决定是否进行焊后高温热处理：相同焊接方法、焊接条件及焊接参数下在试板上施焊，焊后1组进行200℃×2 h的消氢处理，另1组进行600℃×2 h热处理消应，消氢及消应处理采用履带式电加热块加热，焊接试块加工后在厄瓜多尔基多工业大学进行拉伸、冲击、弯曲、硬度及宏观金相试验。

本文依托CCS水电站焊接工艺评定试验，对SUMITEN610F-TMC钢焊接试板的焊缝及热影响区进行力学性能试验比对，分析及评估消氢及消应热处理对焊接接头综合性能的影响，为该材料的焊后热处理选择提供施工经验与技术借鉴。

2　焊接工艺评定试验项目及方法

焊接方法采用焊条电弧焊（SMAW）、气体保护焊（GMAW）及埋弧焊（SAW）三种方法分别施焊，母材SUMITEN610F-TMC，焊接材料为日铁住金溶接工业株式会社焊材：NITTETSU L-62CF（焊条）、NITTETSU Y-204B（埋弧焊丝）、NITTETSU YM-60C（气保焊丝）。焊接工艺评定试验项目见下页表1，评定方法及检测标准按ASME《锅炉及压力容器规范第Ⅸ卷焊接和钎焊评定》及ASTM E18《金属材料洛氏硬度的标准试验方法》执行，评定项目为拉伸、弯曲、冲击、硬度及宏观金相。

3　试验对比分析

对接坡口试验的取样位置见下页图1，试样加工后进行力学性能试验，根据基多工业大学的技术报告，进行各项试验对比分析。

表1　焊接工艺评定试验项目

表2　拉伸试验数据与结果

图1　对接坡口焊取样位置图

3.1拉伸试验

拉伸试验检测按ASME第Ⅸ卷QW-150执行，试验数据及结果见表2。

除02组的拉伸强度不合格外，其他组号的拉伸试验均合格。为避免试验出现偶然因素，对01及02组再次补充取样进行拉伸试验对比，01组号拉伸试验实测值分别为690 MPa、802 MPa；02组号实测值分别为578 MPa、585 MPa，补充试样的拉伸试验依然是02组不合格，排除了试验发生的偶然因素。

数据分析：试验数据说明试样进行焊后热处理消应后，拉伸强度敏感度高，强度波动大，稳定性差。拉伸试验对比情况见图2所示。

图2　拉伸试验对比示意图

3.2弯曲试验

弯曲试验检测按ASME第Ⅸ卷QW-160执行，试验结果为所有试样的导向弯曲试验均合格。

试验分析：焊后热处理消应对试样弯曲无明显影响。

3.3冲击试验

冲击试验检测按ASME第Ⅸ卷QW-170执行，试验数据及结果见下页表3及表4。

数据分析：在0℃及-20℃时，消氢处理的试样冲击韧性均比热处理消应的试样高，表明热处理消应对试样的冲击韧性有显著的下降，数据比对情况见图3～图6。

图4　-20℃韧性试验（焊缝区）数据对比图

图5　 0℃韧性试验（热影响区）数据对比图

图6　 0℃韧性试验（焊缝区）数据对比图

3.4硬度试验

硬度试验检测按ASTM E18《金属材料洛氏硬度的标准试验方法》执行，分别在母材、热影响区、焊缝区进行硬度测试，每组试样测试3行13列，根据测试数据绘图，见图7～图10。

图7　 01与02组的硬度对比图

图8　 03与04组的硬度对比图

图9　 05与06组的硬度对比图

图10　 07与08组的硬度对比图

数据分析：根据图7～图10所示，显而易见，焊后热处理消应后的试样硬度有所降低。

3.5宏观金相检验

宏观金相检验按ASME第Ⅸ卷QW-183执行，检验情况为所有试样的焊缝与母材基体熔合较好，焊缝区域未发现缺陷，其中第10组试样的焊缝完好，第2组试样的断裂位置发生在基体与焊缝熔合处，其他试样断裂位置发生在基体材料处。

数据分析：宏观金相显示，所有的完整焊缝试样中母材与焊接材料熔合良好，在焊缝区域无任何缺陷存在。但02组拉伸试验的断口位置在母材与焊缝之间的熔合处，且低于母材抗拉强度，说明试样拉伸

表30　℃冲击试验数据与结果

表4　-20℃冲击试验数据与结果

强度对热处理消应敏感性高且波动较大。

4　结论

通过焊接工艺对比试验，结论如下：

（1）SUMITEN610F-TMC钢在选取相互匹配的焊材和合适的焊接工艺情况下，进行200℃×2h的消氢处理，即可获得合格的焊接接头。

（2）在相同焊接参数条件下，焊后消氢处理比热处理消应的焊接接头性能好。实施热处理消应后，焊接接头性能降低，主要体现为抗拉强度敏感性高且波动较大，冲击韧性显著降低。

（3）为保证良好的焊接接头性能，规避导致焊接接头强度不稳定及韧性降低的风险，SUMITEN610F-TMC钢焊接后不宜实施焊后热处理消应。

（4）焊接工艺评定（消氢处理状态下）试验各项指标均合格；预焊接工艺规程通过焊接工艺评定验证，具备正确性及指导性。

通过焊接对比试验实践证实：高强钢当做焊后热处理消应时，温度控制不好，很容易超过钢的调质回火温度或控轧终了温度，改变其金相组织，从而恶化其性能［1］。最终CCS水电站压力钢管焊接只进行200℃×2 h的消氢处理，未进行600℃×2 h的热处理消应，在保证焊接质量的前提下，优化焊接工艺参数，有效提高劳动生产率，施工速度得到显著提高。

［1］GB 50766-2012水电水利工程压力钢管制作安装及验收规范［S］.

［2］薛翠翠，李振岗，张建勋.焊后消氢处理工艺对高强钢焊接残余应力的影响［J］.焊管，2013（10）.

TG40

B

1672-5387（2016）09-0049-05

10.13599/j.cnki.11-5130.2016.09.017

2016-06-03

陈忠敏（1970-），女，高级工程师，从事水工金属结构制造及安装工作。