ASTM4130钢焊接热影响区组织与性能研究

摘要

钻井平台高压水泥和泥浆系统材料ASTM4130钢属于中碳调质合金钢,含碳量高,以及合金元素的加入,焊接性较差。这种钢焊接存在的突出问题是冷裂纹和热影响区脆化。本文采用插销试验对ASTM4130钢的冷裂敏感性进行了评定,采用焊接热模拟技术研究了单次热循环和二次热循环焊后热处理前后热影响区组织和性能的变化规律,同时研究了实际接头热影响区的组织及常规和微剪切性能。主要研究内容包括：
　　 ⑴插销试验表明,不预热、预热100℃和预热200℃三种情况下,粗晶区组织主要为马氏体和贝氏体,随预热温度升高,马氏体含量降低,贝氏体含量增加。不预热和预热100℃时,断口具有典型的氢致延迟裂纹断裂特征。预热200℃时,断口不存在氢致延迟裂纹特征。不预热、预热100℃、预热200℃时的临界断裂应力分别为344.46 Mpa、642.55MPa、806.11MPa。预热温度为200℃,临界断裂应力远远高于母材的屈服强度,能避免ASTM4130钢产生焊接冷裂纹。
　　 ⑵热模拟试验结果表明,模拟ASTM4130钢单道焊接热影响区,除峰值温度为700℃的回火区外,均发生脆化现象。峰值温度为1200℃和1350℃的粗晶区冲击韧性损失为母材的94.5％,成为单次热循环的韧性低谷。峰值温度为950℃的细晶区韧性损失为母材的81.37％,脆化程度仅次于粗晶区。焊接热输入在12 kJ/cm～28kJ/cm之间变化时,对粗晶区韧性影响不大。模拟再热粗晶区,除峰值温度为700℃的亚临界粗晶区外,粗晶区韧性进一步降低,发生热影响区整体脆化。峰值温度为800℃的临界粗晶区和峰值温度为950℃的过临界粗晶区的韧性损失分别为母材96.6％和95.7％,脆化最为严重,且两区存在“组织遗传”现象。
　　 ⑶热模拟试验结果表明,640℃×1.5h焊后热处理可完全消除ASTM4130钢单道焊接热影响区脆化。除回火区外,热影响区其它区域的冲击韧性显著提高,硬度明显降低,未发现回火脆性现象。焊接热输入在12kJ/cm～28kJ/cm之间变化时,粗晶区的性能均能满足要求,为提高焊接效率,可采用稍大的热输入。640℃×1.5h焊后热处理未能明显改善再热粗晶区性能。除亚临界再热粗晶区外,热影响区的冲击韧性虽得到一定程度的改善,但均远远低于母材的韧性。临界再热粗晶区和过临界再热粗晶区的“组织遗传”现象未能消除,脆化程度仍然严重。接头的常规力学性能试验表明,焊后热处理温度为640℃,保温时间为90min、120min、135min和165min,冲击功和抗拉强度均能满足要求,但只有保温时间165min,硬度才能满足要求。接头的微型剪切试验表明,焊后热处理温度为640℃,熔合线处剪切强度均明显高于母材,受保温时间的影响不明显,随保温时间的延长,热影响区中的软化区宽度变窄,软化程度有所减弱。保温时间为165min,焊后热处理温度对软化区宽度和程度影响明显,温度为590℃时,热影响区软化区最宽,失强率最大。从硬度、软化区宽度及程度、韧性三方面综合考虑,640℃×165min焊后热处理可使接头获得良好的强韧性匹配。