模擬焊后熱處理工藝淺析

閆 博

（新余鋼鐵股份有限公司 檢測(cè)中心，江西 新余 338001）

1 焊后熱處理的概念

廣義地說，焊后熱處理就是在工件焊完之后對(duì)焊接區(qū)域或焊接構(gòu)件進(jìn)行的熱處理。其內(nèi)容包括消除應(yīng)力退火、完全退火、固熔、正火、正火加回火、回火、低溫消除應(yīng)力、析出熱處理等。狹義地說，焊后熱處理僅指消除應(yīng)力退火，即為了改善焊接區(qū)的性能和消除焊接殘余應(yīng)力等有害影響，從而對(duì)焊接區(qū)及有關(guān)部位在金屬相變溫度點(diǎn)以下均勻而有充分地加熱，然后又均勻冷卻的過程。許多情況下所討論的焊后熱處理實(shí)質(zhì)上就是焊后消除應(yīng)力熱處理[1]。

焊后熱處理的目的有：

（1）松弛焊接參與應(yīng)力。

（2）穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的形狀和尺寸，減少畸變。

（3）改善母材、焊接區(qū)的性能，包括：①提高焊縫金屬的塑性；②降低熱影響區(qū)硬度；③提高斷裂韌性；④改善疲勞強(qiáng)度；⑤恢復(fù)或提高冷成型中降低的屈服強(qiáng)度。

（4）提高抗應(yīng)力腐蝕的能力。

（5）進(jìn)一步釋放焊縫金屬中的有害氣體，尤其是氫，防止延遲裂紋的發(fā)生。

2 模擬焊后熱處理概念的提出

在工程實(shí)踐中人們發(fā)現(xiàn)，金屬材料經(jīng)歷較長(zhǎng)時(shí)間的焊后熱處理，力學(xué)性能（主要是拉伸強(qiáng)度）有一定程度的降低。為確保材料經(jīng)較長(zhǎng)時(shí)間的熱處理后仍能保證其力學(xué)性能滿足設(shè)計(jì)要求，人們事先模擬設(shè)備在制造過程中經(jīng)過的所有的焊后熱處理時(shí)間的總和對(duì)材料的試樣進(jìn)行熱處理（因?yàn)槿萜鞒尚瓦^后無法再取樣，所以只能通過模擬的方式來代替），并對(duì)試樣進(jìn)行機(jī)械性能試驗(yàn)，要求材料性能仍能滿足設(shè)計(jì)要求。對(duì)材料事先提出模擬焊后熱處理的要求，并作為材料訂貨要求的做法（實(shí)際上是對(duì)鋼廠的要求），已有30余年的歷史。目前主要對(duì)厚鋼板或鍛件需要經(jīng)歷較長(zhǎng)時(shí)間焊后熱處理的情況需要考慮模擬焊后熱處理問題。大量的工程標(biāo)準(zhǔn)、特別是臨氫設(shè)備的工程標(biāo)準(zhǔn)中，模擬焊后熱處理要求已成為標(biāo)準(zhǔn)最重要的內(nèi)容之一。例如，2000年，在JB/T4726-2000《壓力容器用碳素鋼和低合金鋼鍛件》中已提出“力學(xué)性能試樣坯料的模擬焊后熱處理”要求；1994年，在JB/T7215-1994《鍛焊結(jié)構(gòu)熱壁加氫反應(yīng)器技術(shù)條件》、JB/T7556-1994《熱壁加氫反應(yīng)器用2.25Cr-1Mo鋼鍛件技術(shù)條件》已比較系統(tǒng)的規(guī)定了模擬焊后熱處理的要求和規(guī)定[2]。

3 模擬焊后熱處理工藝

模擬焊后熱處理，應(yīng)模擬設(shè)備在制造過程中經(jīng)過的所有的焊后熱處理過程。這里的焊后熱處理并非廣義上的定義，一般指480℃以上、Ac1相變溫度（加熱時(shí)，珠光體向奧氏體轉(zhuǎn)變的溫度，或稱下轉(zhuǎn)變溫度）以下的所有熱過程。包括中溫成形、中溫矯圓、中間熱處理、分段熱處理、局部熱處理和最終熱處理等熱過程。不包括熱切割、焊前預(yù)熱和焊后消氫熱處理等低于480℃的熱過程，也不包括封頭熱加工、正火熱處理、調(diào)質(zhì)熱處理等超過Ac1相變溫度的熱過程。

3.1 保溫時(shí)間

一般計(jì)算熱處理時(shí)間時(shí)還要考慮設(shè)備返修重新進(jìn)爐熱處理的時(shí)間，常見的定義一個(gè)循環(huán)2個(gè)～3個(gè)小時(shí)，然后根據(jù)生產(chǎn)過程中可能需要的熱處理程序確定，幾次熱處理就要做幾個(gè)循環(huán)。因此模擬焊后熱處理分為：最大模擬焊后熱處理（Max.PWHT）和最小模擬焊后熱處理(Min.PWHT)，Min.PWHT時(shí)間一般為一個(gè)循環(huán)，Max.PWHT則要看生產(chǎn)中可能會(huì)涉及到幾次熱處理，最多再加1次～2次的返修循環(huán)。做模擬熱處理實(shí)驗(yàn)時(shí)Max.PWHT時(shí)間可以根據(jù)循環(huán)次數(shù)合并進(jìn)行，比如說一次循環(huán)要求3h，則Max.PWHT要求3次的話就可以直接做9h。

3.2 保溫溫度

熱處理保溫溫度，對(duì)于調(diào)質(zhì)鋼應(yīng)以不超過鋼材原回火溫度為原則，一般比鋼材原回火溫溫度低30度左右，否則材料就會(huì)失去調(diào)質(zhì)效果，強(qiáng)度和斷裂韌性就會(huì)降低。對(duì)于非調(diào)質(zhì)碳鋼、低合金鋼可參考JB/T6046-92《碳鋼、低合金鋼焊接構(gòu)件焊后熱處理方法》的附錄A或美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)：USC-56《焊后熱處理要求》。一般在550℃～700℃之間[3]。

3.3 升降溫速度

特別值得一提的是，（模擬）焊后熱處理的加熱和冷卻過程中的升溫與降溫速度必須嚴(yán)格控制。在加熱過程中，一般400℃（特殊條件下可為300℃）以上的升溫速度應(yīng)滿足：

且最大不超過220℃/h，一般不低于55℃/h；美標(biāo)規(guī)定425℃以上的升溫速度應(yīng)滿足：

且最大不超過222℃/h。

在冷卻過程中，一般400℃（特殊條件下可為300℃）以上的降溫速度應(yīng)滿足：

且最大不超過275℃/h，一般不低于55℃/h；美標(biāo)規(guī)定425℃以上的降溫速度應(yīng)滿足：

且最大不超過278℃/h。

出爐時(shí)，爐溫不得高于400℃（特殊條件下可為300℃，美標(biāo)為425℃），出爐后應(yīng)在靜止的空氣中繼續(xù)冷卻。上述計(jì)算式中：R1為升溫速度，R2為降溫速度，單位是：℃/h，δ為鋼板厚度，單位是：mm。此部分內(nèi)容可參見JB/T6046-92《碳鋼、低合金鋼焊接構(gòu)件焊后熱處理方法》、GB150《壓力容器》及美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)：USC-56《焊后熱處理要求》[4-6]。

實(shí)際生產(chǎn)中，PWHT熱處理的工藝參數(shù)（保溫溫度、保溫時(shí)間、升降溫速度），供需雙方會(huì)根據(jù)實(shí)際情況作出協(xié)議規(guī)定，操作時(shí)要按協(xié)議進(jìn)行，如無具體規(guī)定，須參照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

4 模擬焊后熱處理設(shè)備

圖1 模擬焊后熱處理爐實(shí)例

進(jìn)行模擬焊后熱處理操作需要配有能夠精確控制升降溫系統(tǒng)的熱處理爐，整個(gè)加熱、保溫和降溫過程能人工自主分段設(shè)定，爐內(nèi)溫度均勻性≤±5℃，密封性好。另外要確保加熱爐在裝滿工件或樣塊時(shí)，加熱溫度能始終保持均勻。同時(shí)實(shí)際的熱處理工藝曲線要能實(shí)時(shí)顯示和保存，以便于工藝記錄。

5 模擬焊后熱處理實(shí)例

某煤氣化裝置用鋼板09MnNiDR，規(guī)格98mm，按照合同要求：除冷彎、硬度性能以外，鋼板其余的成分和性能檢測(cè)樣均應(yīng)進(jìn)行模擬焊后熱處理后制取。最大模擬焊后熱處理（Max.PWHT）工藝要求615℃±15℃×12h（0h～+2h）；最 小 模擬焊后熱處理（Min.PWHT）工藝要求615℃±15℃×2.5h（0h～+2h）。合同中對(duì)升降溫速度以及控溫點(diǎn)并無具體規(guī)定，則按照標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算出升溫速度應(yīng)不大于（25÷98）×220=56.1℃/h，選取55℃/h。降溫速度應(yīng)不大于（25÷98）×275=70.2℃/h，選取70℃/h。工藝曲線示意圖如下。

圖2 最大模擬焊后工藝示意圖

圖3 最小模擬焊后工藝示意圖