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, 齐文宽, 史 伟, 赵锡龙, 俄 馨, 苏亚宁, 梁小武

(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)

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46 mm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46 mm，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×250 mm×46 mm，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。

表1 Q345R钢板的焊接参数

表2 模拟焊后热处理试验的工艺参数

1.2 试验方法

依据GB/T 31310-2014《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46 mm×30 mm的全板厚横向拉伸试样，依据GB/T 228.1-2010《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/T 2653-2008《焊接接头弯曲试验方法》标准进行侧弯试验。依据GB/T 4340.1-2009《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。

图1 焊接残余应力测试位置示意

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 ℃×2 h模拟热处理后，其焊接残余应力基本消除。

表3 不同试板经模拟焊后热处理后的焊接残余应力测试结果

图2 不同试板经模拟焊后热处理后的焊接残余应力分布

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。

图3 不同试板经模拟焊后热处理后的抗拉强度和屈服强度

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，试板1/4T，3/4T位置处的硬度比1/2T位置处的硬度高。

表4 不同试板经模拟焊后热处理后的维氏硬度测试结果 HV10

图4 不同试板经模拟焊后热处理后的硬度分布

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 ℃×2 h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200 HV10，焊缝区硬度由210 HV10逐步降低到160 HV10，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。