蔡占河+程瑞廠

摘 要：焊后熱處理是焊制承壓設(shè)備的一項(xiàng)重要工藝和環(huán)節(jié)。焊后熱處理是指焊制后，為消除焊接殘余應(yīng)力，改善焊接接頭的組織和性能，將焊件均勻加熱到金屬相變點(diǎn)以下的某個(gè)溫度值（或區(qū)間），并保持一定的時(shí)間，然后均勻冷卻的過(guò)程。這里所述的溫度值、時(shí)間是指焊后熱處理規(guī)范參數(shù)中的保溫溫度和保溫時(shí)間。確定保溫溫度和保溫時(shí)間是制定焊后熱處理工藝的關(guān)鍵所在。GB/T30583-2014《承壓設(shè)備焊后熱處理規(guī)程》原則上對(duì)焊后熱處理保溫溫度和保溫時(shí)間給予規(guī)定，我們應(yīng)該認(rèn)真執(zhí)行。焊后熱處理工藝規(guī)程是一個(gè)專業(yè)性和實(shí)踐性非常強(qiáng)的技術(shù)文件，工藝人員應(yīng)根據(jù)各鋼材的特性，結(jié)合設(shè)計(jì)文件、制造工藝和質(zhì)量管理情況來(lái)擬定焊后熱處理工藝規(guī)程。本人就此談一點(diǎn)自己的看法。

關(guān)鍵詞：鍋爐 壓力容器 鋼材 參數(shù)

中圖分類號(hào)：TG441 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-9082（2017）10-0202-02

一、問(wèn)題提出

1.焊接對(duì)接接頭的組織和性能影響

焊接是焊件在局部區(qū)域受高溫?zé)嵩春途植考s束應(yīng)力共同作用下，經(jīng)過(guò)加熱和冷卻形成焊接接頭。由于焊接時(shí)加熱溫度很高，加熱和冷卻速度很大（4～100℃/s），焊接接頭各個(gè)位置經(jīng)受非常不均勻加熱和冷卻過(guò)程，使焊接接頭中存在焊接殘余應(yīng)力，焊縫區(qū)和熱影響區(qū)化學(xué)成分、金相組織都有很大變化，與母材相比均有不同程度降低。為了滿足承壓設(shè)備安全使用，改善焊接接頭組織和性能，需采用焊后熱處理工藝。

2.焊后熱處理主要作用

焊后熱處理是改善焊接接頭使用性能的有效工藝措施，其主要作用如下：

2.1消除殘余應(yīng)力；2.2提高抵抗應(yīng)力腐 蝕的能力；2.3 改善組織并提高其穩(wěn)定性；2.4提高沖擊韌性、強(qiáng)度和抗蠕變性能；

2.5降低焊接接頭的硬度。

二、影響焊后熱處理效果的主要參數(shù)

1.焊后熱處理的保溫溫度的影響

1.1保溫溫度對(duì)消除殘余應(yīng)力的影響

鋼材在不同溫度下具有不同的屈服強(qiáng)度值，一般情況下，鋼材屈服強(qiáng)度值隨著溫度的升高而降低。在某一溫度下，殘余應(yīng)力高于鋼材屈服強(qiáng)度值時(shí)，焊接接頭會(huì)產(chǎn)生塑性變形而松弛使殘余應(yīng)力降低。為了使殘余應(yīng)力降低到一定程度（一般認(rèn)為降低80%～90%），需對(duì)焊件加熱到一定溫度，使焊接接頭金屬的屈服強(qiáng)度值降低到某一值時(shí)，焊接接頭金屬才能產(chǎn)生一定的塑性變形，從而獲得消除殘余應(yīng)力的效果。是焊后熱處理最關(guān)鍵工藝參數(shù)，對(duì)焊后熱處理的效果影響最大。

1.2保溫溫度對(duì)降低焊接接頭中氫含量的影響

鋼材在不同溫度下對(duì)氫的溶解度不同，一般情況下，氫在鋼材中的溶解度隨著溫度的上升而增大，當(dāng)溫度在200℃以上時(shí)，氫在鋼中大大活躍起來(lái)，從鋼材中逸出，使鋼中擴(kuò)散氫含量降低。因此，焊后熱處理的保溫溫度達(dá)到某一值時(shí)，才能使焊接接頭中的擴(kuò)散氫加速逸出，從而降低氫含量，防止產(chǎn)生冷裂紋。

1.3保溫溫度對(duì)恢復(fù)鋼材性能的影響

因冷加工產(chǎn)生塑性變形會(huì)使金屬晶粒破碎、拉長(zhǎng)、壓扁而產(chǎn)生畸變，從而使鋼材強(qiáng)度、硬度增高，塑性和韌性降低。為了恢復(fù)鋼材的性能，應(yīng)將鋼材加熱至某一溫度（一般加熱到450℃以上），在該溫度下，晶粒將產(chǎn)生再結(jié)晶，如此，鋼材的性能得以恢復(fù)。

1.4保溫溫度對(duì)改善焊接接頭的組織和性能的影響

馬氏體轉(zhuǎn)變區(qū)（低溫轉(zhuǎn)變區(qū)）

馬氏體是碳、合金元素在α-Fe 中的過(guò)飽和固溶體。當(dāng)鋼高溫奧氏體化后，若快速冷卻至馬氏體點(diǎn)（Ms）以下時(shí)，由于γ-Fe在低溫下結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，便轉(zhuǎn)變?yōu)棣?Fe；但冷卻速度過(guò)快，鋼中的碳、合金元素來(lái)不及擴(kuò)散，保留了高溫時(shí)奧氏體的成分。馬氏體處于亞穩(wěn)定狀態(tài)，由于碳、合金元素在α-Fe中過(guò)飽和，使α-Fe的體心立方晶格發(fā)生畸變，形成了體心正方晶格。馬氏體具備很高的硬度（約為640～760HBW），很脆，沖擊韌度低，斷面收縮率和斷后伸長(zhǎng)率幾乎等于零。由于過(guò)飽和碳合金元素使馬氏體晶格畸變，因此馬氏體的比體積較奧氏體大，鋼中馬氏體形成時(shí)產(chǎn)生很大的相變應(yīng)力。

貝氏體轉(zhuǎn)變?nèi)^(qū)【中溫轉(zhuǎn)變區(qū)：指Ms（230℃～550℃）溫度區(qū)間】

Ms（230℃～350℃）溫度區(qū)間，馬氏體受熱開(kāi)始分解析出滲碳體，析出速度較慢，數(shù)量不多，析出滲碳體以細(xì)小顆粒狀分布于針狀鐵素體內(nèi)部，顯微鏡下的形貌呈針狀，錯(cuò)位密度大，碳化物分布均勻，具有較好的綜合力學(xué)性能。

350℃～550℃溫度區(qū)間：鋼的組織是滲碳體分布于條狀鐵素體之間，顯微鏡下形貌呈羽毛狀，稱為羽毛狀貝氏體，也稱為上貝氏體，其強(qiáng)度和韌性等力學(xué)性能都較差。

珠光體轉(zhuǎn)變區(qū)（高溫轉(zhuǎn)變區(qū)，指550℃～A1以下溫度區(qū)間）

鋼在珠光體轉(zhuǎn)變區(qū)時(shí)，由于加熱溫度高，碳、合金元素活動(dòng)能力較強(qiáng)，能充分形成滲碳體，同時(shí)形成鐵素體和滲碳體的機(jī)械混合物-珠光體。滲碳體以層狀分布在鐵素體基體上，轉(zhuǎn)變溫度不同，鐵素體與滲碳體片層厚度不同。

綜上所述，焊后熱處理保溫溫度對(duì)消除殘余應(yīng)力、降低焊接接頭中的擴(kuò)散氫含量，改善焊接接頭的組織和性能其決定性作用。

2.焊后熱處理保溫時(shí)間的影響

2.1在焊后熱處理過(guò)程中，焊件由于有厚度，其表面和內(nèi)部溫度要達(dá)到均勻需要一段時(shí)間。焊件由于結(jié)構(gòu)原因，外部部件和內(nèi)部部件溫度達(dá)到均勻同樣需要一個(gè)時(shí)間段。當(dāng)焊件厚度較大或結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，由于在加熱時(shí)存在溫差，會(huì)造成焊件內(nèi)部存在較大溫差應(yīng)力，為了使溫差應(yīng)力降低到可接受程度，防止產(chǎn)生裂紋和造成過(guò)大殘余變形，因此亦需延長(zhǎng)加熱和保溫時(shí)間?？傊负鬅崽幚頃r(shí)必須設(shè)定充足的均溫時(shí)間。

2.2碳鋼、低合金鋼的C曲線顯示，焊件加熱到某一溫度值后，組織轉(zhuǎn)變分為三個(gè)時(shí)間段：A、孕育時(shí)間段；B、組織轉(zhuǎn)變時(shí)間段；C、轉(zhuǎn)變結(jié)束時(shí)間段。由鋼的C曲線可知，保溫溫度不同，三個(gè)時(shí)間段值均不相同。在曲線的“鼻尖”（大約550℃）附近時(shí)，孕育時(shí)間段和組織轉(zhuǎn)變時(shí)間段最短。溫度的升高或降低其孕育時(shí)間段和組織轉(zhuǎn)變時(shí)間段將增長(zhǎng)。為了獲得理想的組織和性能，焊后熱處理保溫溫度確定后需要確定最短保溫時(shí)間以滿足其組織充分轉(zhuǎn)變的需要，否則，時(shí)間短，組織轉(zhuǎn)變不充分，就難以獲得理想的組織和性能。endprint

2.3焊接接頭在焊后熱處理保溫溫度和殘余應(yīng)力共同作用下，產(chǎn)生塑性變形進(jìn)行松弛，降低殘余應(yīng)力，接頭中擴(kuò)散氫逸出，這個(gè)過(guò)程從開(kāi)始至結(jié)束需要一個(gè)時(shí)間段來(lái)完成，這個(gè)時(shí)間的長(zhǎng)短，決定了殘余應(yīng)力消除程度和擴(kuò)散氫逸出的程度，對(duì)焊后熱處理效果有重大影響。

綜上所述，焊后熱處理保溫溫度確定后，需確定一個(gè)足夠時(shí)間段來(lái)完成組織轉(zhuǎn)變，消除殘余應(yīng)力，降低擴(kuò)散氫的含量。因此，焊后熱處理最短保溫時(shí)間是影響熱處理效果的重要因素。

三、焊后熱處理保溫溫度和保溫時(shí)間確定應(yīng)注意的問(wèn)題

GB/T30583中4.4對(duì)鋼制焊件焊后熱處理最低保溫溫度和最短保溫時(shí)間，以及降低保溫溫度和延長(zhǎng)保溫時(shí)間給以規(guī)定。但標(biāo)準(zhǔn)并沒(méi)有對(duì)最高保溫溫度和最長(zhǎng)保溫時(shí)間，以及在什么情況下應(yīng)降低保溫溫度和延長(zhǎng)保溫時(shí)間給以規(guī)定。由于焊后熱處理工藝是個(gè)專業(yè)性和實(shí)踐性非常強(qiáng)的工藝文件，它要求工藝人員應(yīng)具一定專業(yè)知識(shí)和足夠?qū)嵺`經(jīng)驗(yàn)。工藝人員根據(jù)GB/T30583的規(guī)定，鋼材適應(yīng)熱處理加工的工藝性能，結(jié)合產(chǎn)品設(shè)計(jì)文件，制造工藝條件和管理情況來(lái)擬定熱處理規(guī)程，規(guī)程中應(yīng)明確確定最低保溫溫度和保溫時(shí)間（最短），為做好本項(xiàng)工作談幾個(gè)應(yīng)注意的問(wèn)題。

1.確定焊后熱處理最低保溫溫度的方法

首先在設(shè)計(jì)圖樣上，依次找出各式各樣的焊接接頭以及各個(gè)接頭的鋼號(hào)、標(biāo)準(zhǔn)號(hào)、供貨狀態(tài)、厚度 ，按NB/T47014表1規(guī)定劃定類別號(hào)、組別號(hào)；但應(yīng)注意以下幾個(gè)問(wèn)題：

1.1設(shè)計(jì)文件上對(duì)各個(gè)焊接接頭材料（板材、管材、鍛件）規(guī)定材料供貨狀態(tài)，特別注意正火十回頭、調(diào)質(zhì)鋼要求，根據(jù)相關(guān)材料標(biāo)準(zhǔn)上標(biāo)明最低回火溫度，當(dāng)材料質(zhì)保書(shū)上提供材料回火溫度時(shí)，焊后熱處理保溫溫度應(yīng)低于材料標(biāo)準(zhǔn)或材料質(zhì)保書(shū)上的回火溫度。

1.2設(shè)計(jì)文件中規(guī)定焊后熱處理保溫溫度時(shí)，應(yīng)按設(shè)計(jì)文件規(guī)定確定保溫溫度。

1.3對(duì)有再熱裂傾向材料進(jìn)行焊后熱處理時(shí)（一般采用△G法和PSR法判定材料是否具有再熱之傾向，再熱裂紋產(chǎn)生溫度區(qū)間為550℃-650℃，焊后熱處理溫度應(yīng)大于660℃，一般采用675℃±15℃。

1.4不同鋼號(hào)或不同類別相焊時(shí)，焊后熱處理溫度按焊后熱處理溫度較高鋼號(hào)執(zhí)行，但溫度不應(yīng)超過(guò)兩者任一鋼號(hào)的下相變點(diǎn)A1。

1.5在產(chǎn)品或部件用鋼材供貨狀態(tài)不同時(shí)，應(yīng)按材料標(biāo)準(zhǔn)或材料質(zhì)保書(shū)規(guī)定正火十回火或調(diào)質(zhì)處的回火溫度來(lái)確定焊后熱處理溫度。

初步確定焊后熱處理溫度后，結(jié)合產(chǎn)品或部件設(shè)計(jì)文件，相應(yīng)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，制造條件和管理情況，確定焊后熱處理溫度，若焊后熱處理溫度低于GB/T30583表示規(guī)定最低保溫溫度時(shí)，應(yīng)表2的規(guī)定降低溫度檔次來(lái)確定焊后熱處理溫度。

2.確定焊后熱處理最短保溫時(shí)間的方法

2.1確定焊后熱處理保溫溫度值當(dāng)不低于GB/T30583中表1所規(guī)定的最低保溫溫度時(shí)，按接頭的焊縫金屬有效厚度最大者和表1規(guī)定來(lái)確定最短保溫時(shí)間。

2.2當(dāng)焊后熱處理保溫溫度低于表1規(guī)定最低保溫溫度時(shí)，應(yīng)按表2規(guī)定相應(yīng)降低溫度后的保溫溫度所對(duì)應(yīng)最短保溫時(shí)間進(jìn)行確定。

四、焊后熱處理最短保溫溫度和保溫時(shí)間確定

1.鋼材生產(chǎn)單位、大專院校和科研單位對(duì)鋼材焊接性能試驗(yàn)所確定焊后熱處理保溫溫度和保溫時(shí)間，我們應(yīng)采納

如：1.1《09MnNiDR鋼制球罐用W707DRQ焊條焊接性能》通過(guò)試驗(yàn)確定焊后熱處理保溫溫度（580℃±10℃），最短保溫時(shí)間2h，試驗(yàn)單位：合肥通用機(jī)械研究院；哈爾濱焊接研究所。

1.2《16MnDR鋼的性能及應(yīng)用》規(guī)定焊后熱處理保溫溫度（620℃±20℃），試驗(yàn)單位：武漢鋼鐵公司。

承壓設(shè)備生產(chǎn)單位按NB/T47014和設(shè)計(jì)文件的規(guī)定進(jìn)行焊接工藝評(píng)定驗(yàn)證預(yù)熱處理規(guī)程制定焊后熱處理保溫溫度和最短保溫時(shí)間是否合理并確認(rèn)

但應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：2.1對(duì)于低溫條件下使用的特種設(shè)備，焊評(píng)應(yīng)增加設(shè)定的低溫溫度下的沖擊韌度試驗(yàn)。2.2對(duì)于高溫條件下使用的特種設(shè)備，焊評(píng)應(yīng)增加設(shè)定的高溫溫度的持久強(qiáng)度試驗(yàn)。2.3對(duì)于有再熱裂紋傾向的鋼材，焊評(píng)應(yīng)增加熱處理后進(jìn)行MT或PT檢測(cè)。2.4對(duì)于使用在應(yīng)力腐蝕中的特種設(shè)備，焊評(píng)應(yīng)按設(shè)計(jì)文件規(guī)定進(jìn)行耐應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)。

五、焊后熱處理保溫溫度和保溫時(shí)間的驗(yàn)證

承壓設(shè)備是檢驗(yàn)焊后熱處理效果和參數(shù)是否合理的標(biāo)本。應(yīng)在首臺(tái)承壓設(shè)備上來(lái)檢驗(yàn)熱處理效果，檢驗(yàn)、檢測(cè)和試驗(yàn)項(xiàng)目如下：

1.有再熱裂紋傾向的鋼材，熱處理后對(duì)所有焊縫及產(chǎn)品焊接件焊縫進(jìn)行100%MT或PT檢測(cè)，按NB/T47013的規(guī)定，Ⅰ級(jí)合格。

2.有延遲裂紋傾向鋼材，標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度下限Rm≥540MP鋼制承壓設(shè)備，熱處理后應(yīng)對(duì)所有焊縫進(jìn)行布氏硬度檢測(cè)，HB≤200。

2.1筒體和封頭的A、B、C、D類接頭，每個(gè)接頭各測(cè)兩組；（2）開(kāi)口接管與筒體和封頭的D類接頭各測(cè)一組；（3）每組測(cè)三點(diǎn)：即母材、熱影響區(qū)、焊縫金屬各一點(diǎn)（在設(shè)備內(nèi)表面檢測(cè)）。

3.有條件單位最好對(duì)所有焊接接頭，按GB/T7704-2008《無(wú)損檢測(cè) X射線應(yīng)力測(cè)定方法》規(guī)定進(jìn)行應(yīng)力測(cè)定。殘余應(yīng)力消除應(yīng)達(dá)到85%以上為合格。

4.產(chǎn)品焊接試件

產(chǎn)品焊接試件應(yīng)與產(chǎn)品同爐進(jìn)行熱處理，按NB/T47016的規(guī)定制備試樣和試驗(yàn)。

4.1各項(xiàng)力學(xué)性能值不低于材料標(biāo)準(zhǔn)或設(shè)計(jì)文件規(guī)定值為合格。4.2低溫承壓設(shè)備應(yīng)按設(shè)計(jì)低溫進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，其值應(yīng)不低于材料標(biāo)準(zhǔn)或設(shè)計(jì)文件規(guī)定值為合格。4.3耐熱鋼承壓設(shè)備應(yīng)按設(shè)計(jì)最高溫度進(jìn)行持久強(qiáng)度試驗(yàn)，其值不低于材料標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)文件規(guī)定值為合格。4.4按GB/T2654-2008《焊接接頭硬度試驗(yàn)辦法》規(guī)定進(jìn)行硬度試驗(yàn)，測(cè)點(diǎn)按圖1所示進(jìn)行。

1.A區(qū)-母材 B區(qū)---熱影響區(qū) C區(qū)---焊縫 2.用布氏硬度計(jì)測(cè)量 3.測(cè)點(diǎn)間距：在A.C區(qū)為3㎜ 在B區(qū)為0.5 ㎜ 4.HBW≤200或220 . 在設(shè)計(jì)文件規(guī)定進(jìn)行耐應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)設(shè)計(jì)文件規(guī)定方法、標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行試驗(yàn)。以上各項(xiàng)檢驗(yàn)檢測(cè)和試驗(yàn)均符合要求，該焊后熱處理規(guī)定保溫溫度和保溫時(shí)間能使熱處理質(zhì)量得到保證，熱處理規(guī)范參數(shù)是合理的。

六、結(jié)束語(yǔ)

1.要認(rèn)真審查設(shè)計(jì)文件，了解各受壓元件鋼號(hào)，材料標(biāo)準(zhǔn)及標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的供貨狀態(tài)，熱處理制度；同時(shí)審查設(shè)計(jì)文件對(duì)焊后熱處理的規(guī)定，對(duì)材料性能的特殊要求。

2.認(rèn)真按材料標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，材料生產(chǎn)單位、大專院?？蒲袉挝怀晒?jīng)驗(yàn)確定焊后熱處理保溫溫度和保溫時(shí)間。

3.應(yīng)經(jīng)過(guò)按NB/T47014規(guī)定的焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)和產(chǎn)品的驗(yàn)證最終確定焊后熱處理保溫溫度和保溫時(shí)間，能使承壓設(shè)備的安全性能得到可靠保證。endprint