焊接熱處理方法的選擇

焊接殘余應(yīng)力是由于焊接引起焊件不均勻的溫度分布，焊縫金屬的熱脹冷縮等原因造成的，所以伴隨焊接施工必然會(huì)產(chǎn)生殘余應(yīng)力。

消除殘余應(yīng)力的最通用的方法是高溫回火，即將焊件放在熱處理爐內(nèi)加熱到一定溫度和保溫一定時(shí)間，利用材料在高溫下屈服極限的降低，使內(nèi)應(yīng)力高的地方產(chǎn)生塑性流動(dòng)，彈性變形逐漸減少，塑性變形逐漸增加而使應(yīng)力降低。

01熱處理方法的選擇

焊后熱處理對(duì)金屬抗拉強(qiáng)度、蠕變極限的影響與熱處理的溫度和保溫時(shí)間有關(guān)。焊后熱處理對(duì)焊縫金屬?zèng)_擊韌性的影響隨鋼種不同而不同。

焊后熱處理一般選用單一高溫回火或正火加高溫回火處理。對(duì)于氣焊焊口采用正火加高溫回火熱處理。這是因?yàn)闅夂傅暮缚p及熱影響區(qū)的晶粒粗大，需要細(xì)化晶粒，故采用正火處理。

然而單一的正火不能消除殘余應(yīng)力，故需再加高溫回火以消除應(yīng)力。單一的中溫回火只適用于工地拼裝的大型普通低碳鋼容器的組裝焊接，其目的是為了達(dá)到部分消除殘余應(yīng)力和去氫。

絕大多數(shù)場(chǎng)合是選用單一的高溫回火。熱處理的加熱和冷卻不宜過(guò)快，力求內(nèi)外壁均勻。

02壓力容器采用的熱處理方法

壓力容器采用的熱處理方法有兩類(lèi)：一類(lèi)為改善機(jī)械性能的熱處理；一類(lèi)為焊后熱處理(PWHT)。廣義地說(shuō)，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。

具體內(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(shuō)，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2溫度點(diǎn)以下均勻而有充分地加熱，然后又均勻冷卻的過(guò)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。

03焊后熱處理目的

1.松弛焊接殘余應(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、焊接接頭的性能，包括：

a.提高焊縫金屬的塑性。

b.降低熱影響區(qū)硬度。

c.提高斷裂韌性。

d.改善疲勞強(qiáng)度。

e.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。

04PWHT必要性的判斷

壓力容器有無(wú)焊后熱處理的必要，在設(shè)計(jì)上應(yīng)加以明確規(guī)定，現(xiàn)行的壓力容器設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)此有要求。

焊制的壓力容器，焊接區(qū)存在著較大的殘余應(yīng)力，而殘余應(yīng)力的不利影響。在一定的條件下才表現(xiàn)出來(lái)。當(dāng)殘余應(yīng)力與焊縫中的氫相結(jié)合時(shí)，將促使熱影響區(qū)硬化，導(dǎo)致冷裂紋和延遲裂紋的產(chǎn)生。

殘存在焊縫中的靜應(yīng)力或負(fù)載運(yùn)行中的動(dòng)載應(yīng)力與介質(zhì)的腐蝕作用相結(jié)合時(shí)，將有可能引起裂紋狀腐蝕，即所謂應(yīng)力腐蝕。焊接殘余應(yīng)力及由焊接引起的母材淬硬是產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕裂紋的重要因素。

研究結(jié)果表明，變形和殘余應(yīng)力對(duì)金屬材料的主要影響，在于使金屬?gòu)木鶆蚋g轉(zhuǎn)變?yōu)榫植扛g，即轉(zhuǎn)變?yōu)榫чg或穿晶腐蝕。當(dāng)然，金屬的腐蝕破裂和晶間腐蝕均出現(xiàn)在對(duì)該種金屬具有一定特性的介質(zhì)中。

在殘余應(yīng)力存在的情況下，根據(jù)侵蝕性介質(zhì)的成分、濃度和溫度的不同，以及母材與焊接區(qū)的成分、組織、表面狀態(tài)、應(yīng)力狀態(tài)等存在的差異而有所不同，從而，使腐蝕破壞的性質(zhì)可能改變。

焊接的壓力容器是否需要做焊后熱處理，應(yīng)從容器的用途、尺寸(特邊是壁板厚度)，所用材料的性能以及工作條件等方面綜合考慮決定。有下列情況之一的，應(yīng)考慮焊后熱處理：

1.使用條件苛刻，如在低溫下工作有發(fā)生脆性斷裂危險(xiǎn)的厚壁容器，承受較大載荷和交變載荷的容器。

2.厚度超過(guò)一定限度的焊制壓力容器。包括鍋爐、石油化工壓力容器等有專(zhuān)門(mén)規(guī)程、規(guī)范的。

3.對(duì)尺寸穩(wěn)定性較高的壓力容器。

4.由淬硬傾向大的鋼材制造的容器。

5.有應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂危險(xiǎn)的壓力容器。

6.其他有專(zhuān)門(mén)規(guī)程、規(guī)范以及圖樣予以規(guī)定的壓力容器。

在鋼制焊接壓力容器中，在靠近焊縫的區(qū)域內(nèi)形成達(dá)到屈服點(diǎn)的殘余應(yīng)力。這種應(yīng)力的產(chǎn)生與拌有奧氏體的組織轉(zhuǎn)變有關(guān)。許多研究者指出，為了消除焊后的殘余應(yīng)力，650度的回火對(duì)鋼制焊接壓力容器能產(chǎn)生良好的影響。

同時(shí)認(rèn)為，如果在焊后不進(jìn)行適當(dāng)?shù)臒崽幚?，就始終不能得到耐腐蝕的焊接接頭。

一般認(rèn)為，消除應(yīng)力熱處理屬于焊接工件被加熱到500-650度而后再緩慢冷卻的過(guò)程。應(yīng)力的降低起因于高溫下的蠕變，在碳鋼中從450度開(kāi)始出現(xiàn)，在含鉬的鋼中，從550度開(kāi)始出現(xiàn)。

溫度越高，應(yīng)力越易于消除。但是一旦超過(guò)鋼材的原始回火溫度，鋼的強(qiáng)度便要降低。所以消除應(yīng)力的熱處理一定要掌握好溫度和時(shí)間兩個(gè)要素，缺一不可。然而在焊件內(nèi)應(yīng)力中，總是伴生著拉伸應(yīng)力與壓縮應(yīng)力，應(yīng)力與彈性變形同時(shí)存在。當(dāng)鋼材的溫度升高，屈服強(qiáng)度下降，原有的彈性形變會(huì)變成塑性形變，從而是應(yīng)力松弛。

加熱溫度越高，內(nèi)應(yīng)力消除越充分。但溫度過(guò)高時(shí)將使鋼材表面嚴(yán)重氧化。另外，對(duì)于調(diào)質(zhì)鋼的PWHT溫度，應(yīng)以不超過(guò)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。這一點(diǎn)對(duì)于熱處理工作者來(lái)說(shuō)，應(yīng)予以特邊關(guān)注。

消除內(nèi)應(yīng)力的焊后熱處理溫度越高，鋼材軟化程度越大，通常加熱到鋼材的再結(jié)晶溫度，內(nèi)應(yīng)力就可消除，再結(jié)晶溫度與熔化溫度有密切關(guān)系。一般地，再結(jié)晶溫度K=0.4X熔化溫度(K)。熱處理溫度越接近再結(jié)晶溫度，消除殘余應(yīng)力越有效。

05PWHT綜合效果的考慮

焊后熱處理并非是絕對(duì)有利的。一般情況下，焊后熱處理有利于緩和殘余應(yīng)力，并對(duì)應(yīng)力腐蝕有嚴(yán)格要求的情況下才進(jìn)行。但是，試件的沖擊韌性試驗(yàn)表明，焊后熱處理對(duì)熔敷金屬和焊接熱影響區(qū)的韌性提高不利，有時(shí)在焊接熱影響區(qū)的晶粒粗化范圍內(nèi)還可能發(fā)生晶間開(kāi)裂。

再則，PWHT是依靠在高溫下材料強(qiáng)度的降低來(lái)實(shí)現(xiàn)消除應(yīng)力的，因此，在PWHT時(shí)，結(jié)構(gòu)有可能失去剛性，對(duì)于采取整體或局部PWHT的結(jié)構(gòu)，熱處理前必須考慮焊件在高溫下的支承能力。

所以，在考慮是否進(jìn)行焊后熱處理時(shí)，應(yīng)將熱處理的有利和不利兩個(gè)方面綜合比較。從結(jié)構(gòu)性能上來(lái)看，有使性能提高的一面，也有使性能降低的一面，應(yīng)在綜合考慮兩方面的基礎(chǔ)工作上做出合理的判斷。

審核編輯：湯梓紅