Page 50 - 机械工程材料2025年第三期

徐晓龙，等：道间温度与焊后热处理冷却速率对P91钢焊缝金属冲击韧性与耐腐蚀性能的影响

性能试样，试样尺寸为350 mm×150 mm×20 mm， 得焊缝金属的化学成分如表2所示。
根部间隙为16 mm，坡口角度为10°，焊接时采用垫 按照GB/T 229—2020《金属材料 夏比摆锤冲
板。采用MZ-1000IV型逆变式直流埋弧焊机进行 击试验方法》，在熔覆金属力学性能试样的板厚中间
8层16道焊，焊接接头的具体结构如图1所示，焊接 位置以焊缝为中心垂直于焊接方向截取冲击试样，
电压为30 V，焊接电流为420~450 A，焊接速度控 冲击试样的尺寸为55 mm×10 mm×10 mm，V型缺
制在38~40 cm · min −1 ，通过红外测温仪控制道间 口开在试样中心的焊缝金属处，缺口深度为2 mm，
温度，层间与道间停留时间根据道间温度控制。焊 缺口夹角为 45°，采用PTMS4450 型摆锤冲击试验
接完成后对试样进行760 ℃×2 h焊后热处理，道间 机在 20 ℃下进行夏比冲击试验。采用TESCAN
温度和焊后热处理冷却速率见表1。通过光谱法测 MIRA3 型场发射扫描电镜 （SEM）对断口形貌进
行观察，通过Image软件确定焊缝金属裂纹源的位
置，用线切割机在断口裂纹源位置垂直于缺口方向
进行切割，对切割横截面进行打磨、抛光，用体积分
数 10%硝酸乙醇溶液腐蚀后，采用SEM观察裂纹
源附近的微观结构，并用其附带的能谱仪（EDS） 进
行微区成分分析。在焊缝金属中心位置截取尺寸
图 1 焊接接头结构示意 为10 mm×10 mm×5 mm的电化学腐蚀试样，除测
Fig. 1 Schematic of welded joint structure 试面外，其余面用环氧树脂密封。采用CHI600D型

表1 道间温度和焊后热处理冷却速率 电化学工作站使用三电极体系进行极化曲线的测
Table 1 Interpass temperature and cooling rate of post- 试，电化学腐蚀试样作为工作电极，铂电极作为辅
weld heat treatment 助电极，饱和甘汞电极（SCE） 作为参比电极，电解
编号 道间温度/℃ 焊后热处理冷却速率/(℃ · h −1 ) 液为质量分数 3.5%的NaCl溶液。将工作电极在
1 250 55 电解液中静置2 000 s，测量开路电位。极化曲线测
2 250 约20（随炉冷却） − 1 ，动电位扫描范围
试时的扫描速率为 0.5 mV · s
3 300 约20（随炉冷却） 为-0.1~0.1 V，测试温度为室温。

表2 焊缝金属的化学成分
Table 2 Chemical composition of weld metal

元素 C Mn Si Cr Ni Mo V N Nb Fe
质量分数/% 0.082 0.55 0.078 8.52 0.63 0.90 0.17 0.035 0.029 余

2 试验结果与讨论 当焊后热处理冷却速率固定为约20 ℃ · h −1 时，随
着道间温度由250 ℃升高到300 ℃，冲击吸收能量略
2.1 冲击韧性
微提高，波动程度略微降低。在250 ℃道间温度和
当道间温度固定为250 ℃时，55 ℃ · h −1 焊后热 −1
55 ℃ · h 焊后热处理冷却速率下，焊缝金属的冲击
处理冷却速率下焊缝金属的冲击吸收能量测试值为
吸收能量最高并且波动程度最小。
119，94，105，109，114 J，平均值为（108.2±9.42） J；
由图2~图4可以看出： 当道间温度固定为250 ℃
约 20 ℃ · h − 1 焊后热处理冷却速率下的测试值为 − 1
时，与约 20 ℃ · h 焊后热处理冷却速率下相比，
45，65，45，62，105 J，平均值为（64.4±24.53） J。 −1
55 ℃ · h 焊后热处理冷却速率下焊缝金属的冲击
−1
300 ℃道间温度和约20 ℃ · h 焊后热处理冷却速 断口更粗糙，裂纹源位置距缺口根部的位置更远，塑
率下焊缝金属的冲击吸收能量测试值为76，60，77， 性裂纹扩展长度更长；55 ℃ · h −1 焊后热处理冷却速
71，45 J，平均值为（65.8±13.44） J。可见，当道间 率下焊缝金属的冲击断裂形式以韧性断裂或韧脆混
温度固定为 250 ℃时，随着焊后热处理速率由约 合断裂为主，而约20 ℃ · h −1 焊后热处理冷却速率下
20 ℃ · h −1 增加到50 ℃ · h −1 ，焊缝金属的冲击吸收 的冲击断裂形式以解理断裂为主。在300 ℃道间温
能量明显提高，幅度约为68%，波动程度明显降低； 度和约20 ℃ · h −1 焊后热处理冷却速率下焊缝金属

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