多次热循环对SUMITEN 950－TMCP高强钢韧性的影响

雷清华

(华电郑州机械设计研究院有限公司，河南 郑州 450015)

0 引言

高水头的电站引水压力管道一般需用高强度等级的钢材。目前，1000 MPa级的高强钢成了被关注的对象，为了确保1000 MPa级高强钢压力钢管(包括钢岔管)的焊接质量，有必要对1000 MPa级高强度钢的焊接性能进行试验研究。

通过对厚度为24mm的钢板进行不同热输入的焊接热循环模拟试验，取得模拟焊接热影响区粗晶区的冲击韧性与焊接热输入的关系，确定该材料单道焊接适用的热输入范围。在试验过程中，进行了多层(道)焊二次热循环的模拟加热过程对材料冲击韧性影响的研究，从而确定该材料现场多层(道)焊接适用的热输入范围。

1 试验材料及试样截取方式

委托方提供的24 mm厚SMI SUMITEN 950钢板，化学成分(资料数据)和力学性能见表1和表2。

试样的截取符合GB/T 2975—1998《钢及钢产品力学性能试验取样位置及试样制备》。用线切割下料加工成11.5 mm×11.5 mm×90.0 mm的试样，然后按焊接热循环模拟试验要求加工成11 mm×11 mm×90 mm试样进行热循环试验。热循环试验后再将试样加工成标准V形缺口试样，然后进行不同温度下的冲击性能试验。

2 试验过程及结果

试验采用GLEEBLE－1500热模拟试验机和JB－30B冲击试验机。

模拟焊接热循环的试验峰值温度为1320℃，加热速率为200℃/s。考虑该钢种的SH－CCT图及其现场可能使用的各种焊接工艺规范，参照美国25.4 mm以上大厚度钢板可能使用的最小热输入计算公式，发现焊接热输入小于19 kJ/cm时(t8/5为11 s)，其热热影响区组织已全部转变为马氏体，硬度较高，容易引起冷裂纹，故焊接热输入最小值取19 kJ/cm进行模拟;根据实际焊接条件和材料使用指南关于焊接热输入的推荐(50kJ/cm以下)，取焊接热输入60kJ/cm为最大值，中间平均插入3种规范，故焊接热输入分别取19，30，40，50和60 kJ/cm 5种规格，其对应的t8/5分别为11.0，22.8，39.0，60.0 和144.0s。分别在0℃和－40℃ 2种温度下进行冲击试验。

表1 SUMITEN 950钢的化学成分 %

表2 SUMITEN 950钢的力学性能

为模拟多层多道焊的焊接热循环对材料性能的影响，取24 mm厚材料一次热循环冲击韧性好的30，40和50 kJ/cm 3种类型热输入进行二次热循环模拟试验，二次热循环的峰值温度为900℃。同样，分别在0℃和－40℃下进行冲击试验。

为了与热模拟数据进行对比，还进行了实际的热输入试板的焊接。在对焊接热输入试板进行力学性能试验后，发现小热输入的试板也具有良好的冲击韧性。因此，增加了19.0和7.5 kJ/cm 2种类型小热输入进行一次、二次、三次热模拟试验，以确定二次、三次热循环对材料性能的影响。

三次热循环模拟试验峰值温度为600℃，加热速率为200℃/s，其他条件同原先试验相同。焊接热输入为7.5和19.0kJ/cm时，其对应的t5/8分别为7 s和11 s。

不同焊接热输入作用下钢材的冲击功见表3和表4。材料经不同热输入的焊接热循环模拟试验后的组织如图1所示，每种热输入对应2个图，左侧为200倍，右侧为500倍。

图1 适中热输入条件下的组织形貌

表3 不同热输入条件下模拟焊接热影响区的冲击功

表4 不同热输入条件下模拟焊接热影响区的冲击功

3 数据分析

根据表3、表4中的结果，将2种板厚的焊接热输入与热影响区冲击功的关系绘于图2。

图2 热输入与冲击功的关系(24 mm板)

在一次热循环条件下，若试验温度为0℃，热输入低于19 kJ/cm时冲击韧性均有明显下降，当试验温度为－40℃时，则热输入低于30 kJ/cm时冲击韧性下降更加明显。但经过多次热循环后，低热输入的冲击韧性值均能恢复到很高的水平。若热输入高于50 kJ/cm，多次热循环的作用则不够明显，因为此时晶粒长大的作用要强于马氏体数量的影响。

组织分析表明，二次热循环后的组织形貌并没有很大的区别。二次热循环引起热影响区韧性变化的原因可能是:热输入较小时(30～40 kJ/cm)，由于晶粒长大不严重，基体内的析出碳化物未粗化，其韧性得到改善;热输入较大时(50 kJ/cm)，由于晶粒长大严重，基体内的析出碳化物也发生了粗化现象，从而引起热影响区韧性的降低。

由此，对于不受多次热循环影响的单道焊或盖面焊来说，推荐的热输入范围为20～50 kJ/cm，以30～40 kJ/cm最好，过高或过低均会降低韧性值。其他类型的焊道热输入下限范围可以低至8 kJ/cm，但上限不宜超过50 kJ/cm，以40 kJ/cm为好。

4 结束语

从结果来看，无论在什么焊接热输入条件下，二次热循环的回火作用使其韧性得到较大改善;三次热循环与二次热循环相比没有明显的改善作用。因此，对于不受多次热循环影响的单道焊或盖面焊来说，推荐的热输入范围为20～50 kJ/cm，以30～40 kJ/cm最好，过高或过低均会降低韧性值。其他类型的焊道热输入下限范围可以低至8 kJ/cm，但上限不宜超过50 kJ/cm，以40 kJ/cm为宜。