模拟焊后热处理工艺浅析

2020-03-06闫博

中国金属通报 2020年19期

闫博

（新余钢铁股份有限公司检测中心，江西新余 338001）

1 焊后热处理的概念

广义地说，焊后热处理就是在工件焊完之后对焊接区域或焊接构件进行的热处理。其内容包括消除应力退火、完全退火、固熔、正火、正火加回火、回火、低温消除应力、析出热处理等。狭义地说，焊后热处理仅指消除应力退火，即为了改善焊接区的性能和消除焊接残余应力等有害影响，从而对焊接区及有关部位在金属相变温度点以下均匀而有充分地加热，然后又均匀冷却的过程。许多情况下所讨论的焊后热处理实质上就是焊后消除应力热处理[1]。

焊后热处理的目的有：

（1）松弛焊接参与应力。

（2）稳定结构的形状和尺寸，减少畸变。

（3）改善母材、焊接区的性能，包括：①提高焊缝金属的塑性；②降低热影响区硬度；③提高断裂韧性；④改善疲劳强度；⑤恢复或提高冷成型中降低的屈服强度。

（4）提高抗应力腐蚀的能力。

（5）进一步释放焊缝金属中的有害气体，尤其是氢，防止延迟裂纹的发生。

2 模拟焊后热处理概念的提出

在工程实践中人们发现，金属材料经历较长时间的焊后热处理，力学性能（主要是拉伸强度）有一定程度的降低。为确保材料经较长时间的热处理后仍能保证其力学性能满足设计要求，人们事先模拟设备在制造过程中经过的所有的焊后热处理时间的总和对材料的试样进行热处理（因为容器成型过后无法再取样，所以只能通过模拟的方式来代替），并对试样进行机械性能试验，要求材料性能仍能满足设计要求。对材料事先提出模拟焊后热处理的要求，并作为材料订货要求的做法（实际上是对钢厂的要求），已有30余年的历史。目前主要对厚钢板或锻件需要经历较长时间焊后热处理的情况需要考虑模拟焊后热处理问题。大量的工程标准、特别是临氢设备的工程标准中，模拟焊后热处理要求已成为标准最重要的内容之一。例如，2000年，在JB/T4726-2000《压力容器用碳素钢和低合金钢锻件》中已提出“力学性能试样坯料的模拟焊后热处理”要求；1994年，在JB/T7215-1994《锻焊结构热壁加氢反应器技术条件》、JB/T7556-1994《热壁加氢反应器用2.25Cr-1Mo钢锻件技术条件》已比较系统的规定了模拟焊后热处理的要求和规定[2]。

3 模拟焊后热处理工艺

模拟焊后热处理，应模拟设备在制造过程中经过的所有的焊后热处理过程。这里的焊后热处理并非广义上的定义，一般指480℃以上、Ac1相变温度（加热时，珠光体向奥氏体转变的温度，或称下转变温度）以下的所有热过程。包括中温成形、中温矫圆、中间热处理、分段热处理、局部热处理和最终热处理等热过程。不包括热切割、焊前预热和焊后消氢热处理等低于480℃的热过程，也不包括封头热加工、正火热处理、调质热处理等超过Ac1相变温度的热过程。

3.1 保温时间

一般计算热处理时间时还要考虑设备返修重新进炉热处理的时间，常见的定义一个循环2个～3个小时，然后根据生产过程中可能需要的热处理程序确定，几次热处理就要做几个循环。因此模拟焊后热处理分为：最大模拟焊后热处理（Max.PWHT）和最小模拟焊后热处理(Min.PWHT)，Min.PWHT时间一般为一个循环，Max.PWHT则要看生产中可能会涉及到几次热处理，最多再加1次～2次的返修循环。做模拟热处理实验时Max.PWHT时间可以根据循环次数合并进行，比如说一次循环要求3h，则Max.PWHT要求3次的话就可以直接做9h。

3.2 保温温度

热处理保温温度，对于调质钢应以不超过钢材原回火温度为原则，一般比钢材原回火温温度低30度左右，否则材料就会失去调质效果，强度和断裂韧性就会降低。对于非调质碳钢、低合金钢可参考JB/T6046-92《碳钢、低合金钢焊接构件焊后热处理方法》的附录A或美国标准：USC-56《焊后热处理要求》。一般在550℃～700℃之间[3]。

3.3 升降温速度

特别值得一提的是，（模拟）焊后热处理的加热和冷却过程中的升温与降温速度必须严格控制。在加热过程中，一般400℃（特殊条件下可为300℃）以上的升温速度应满足：

且最大不超过220℃/h，一般不低于55℃/h；美标规定425℃以上的升温速度应满足：

且最大不超过222℃/h。

在冷却过程中，一般400℃（特殊条件下可为300℃）以上的降温速度应满足：

且最大不超过275℃/h，一般不低于55℃/h；美标规定425℃以上的降温速度应满足：

且最大不超过278℃/h。

出炉时，炉温不得高于400℃（特殊条件下可为300℃，美标为425℃），出炉后应在静止的空气中继续冷却。上述计算式中：R1为升温速度，R2为降温速度，单位是：℃/h，δ为钢板厚度，单位是：mm。此部分内容可参见JB/T6046-92《碳钢、低合金钢焊接构件焊后热处理方法》、GB150《压力容器》及美国标准：USC-56《焊后热处理要求》[4-6]。

实际生产中，PWHT热处理的工艺参数（保温温度、保温时间、升降温速度），供需双方会根据实际情况作出协议规定，操作时要按协议进行，如无具体规定，须参照相关标准。

4 模拟焊后热处理设备

图1 模拟焊后热处理炉实例

进行模拟焊后热处理操作需要配有能够精确控制升降温系统的热处理炉，整个加热、保温和降温过程能人工自主分段设定，炉内温度均匀性≤±5℃，密封性好。另外要确保加热炉在装满工件或样块时，加热温度能始终保持均匀。同时实际的热处理工艺曲线要能实时显示和保存，以便于工艺记录。

5 模拟焊后热处理实例

某煤气化装置用钢板09MnNiDR，规格98mm，按照合同要求：除冷弯、硬度性能以外，钢板其余的成分和性能检测样均应进行模拟焊后热处理后制取。最大模拟焊后热处理（Max.PWHT）工艺要求615℃±15℃×12h（0h～+2h）；最小模拟焊后热处理（Min.PWHT）工艺要求615℃±15℃×2.5h（0h～+2h）。合同中对升降温速度以及控温点并无具体规定，则按照标准计算出升温速度应不大于（25÷98）×220=56.1℃/h，选取55℃/h。降温速度应不大于（25÷98）×275=70.2℃/h，选取70℃/h。工艺曲线示意图如下。