【文章內(nèi)容簡介】 oWVNbBTGR55WB— 預熱和焊后熱處理（1）焊前預熱預熱是防止低合金耐熱鋼焊接接頭冷裂紋和再熱裂紋的有效措施之一。預熱溫度主要由鋼的碳含量、接頭的拘束度和焊縫金屬的氫含量來決定。對于低合金耐熱鋼，預熱溫度并非愈高愈好。例如，對于w(Cr)大于2%的鉻鉬鋼，為防止氫致裂紋的產(chǎn)生，規(guī)定較高的預熱溫度是必要的，但不應(yīng)高于馬氏體轉(zhuǎn)變結(jié)束點Mf的溫度，否則，當焊件作最終焊后熱處理時，會使奧氏體不發(fā)生轉(zhuǎn)變，除非焊件的冷卻過程加以嚴格控制，不然，這部分殘余奧氏體就可能轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，從而失去了焊后熱處理對馬氏體組織的回火作用。因此，預熱和層間溫度均應(yīng)控制在Mf點以下，則焊接結(jié)束后奧氏體將在控制溫度范圍內(nèi)完全轉(zhuǎn)變成馬氏體，馬氏體隨后可以通過焊后回火而改善韌性。為防止焊件在焊后熱處理之前產(chǎn)生裂紋，最簡單可靠的措施是將接頭作2～3h的低溫后熱處理。后熱處理的溫度按鋼種和壁厚而定，一般在250℃～300℃之間。大型焊件的局部預熱應(yīng)注意保證預熱區(qū)的寬度大于所焊壁厚的4倍，至少不小于150mm，且預熱區(qū)內(nèi)外表面均應(yīng)達到規(guī)定的預熱溫度。世界各國壓力容器和管道制造法規(guī)對低合金耐熱鋼規(guī)定的最低預熱溫度列于表23。由表中數(shù)據(jù)可見，迄今只有英國標準考慮焊縫金屬的氫含量高低來修正焊件的預熱溫度。對于厚壁容器殼體上插入式大直徑接管的環(huán)向接頭，鋼結(jié)構(gòu)件的十字接頭等高拘束度焊件，其預熱溫度應(yīng)比表23所推薦的高50℃。表23 各國壓力容器法規(guī)規(guī)定的最低預熱溫度鋼種推薦值A(chǔ)SMEBPVC Ⅷ①BS②5500(PD 5500)ASME③BS 3351(低氫焊條)BS 2633—1994(酸性焊條)厚度/mm溫度/℃厚度/mm溫度/℃厚度/mm溫度/℃厚度/mm溫度/℃厚度/mm溫度/℃厚度/mm溫度/℃≥2080＞1680≥12100≥1280≥12100≥38150≥20120≥12120≤12＞12100150所有厚度150≤12＞12100150≤12＞121502001CrMoV≥10150≥12200≤12＞12150200所有厚度150≤12＞12150200≤12—200—2CrMoWVTiB所有厚度150——————————2MnMo2MnNiMo≥30150——————————①美國機械工程學會標準中的鍋爐壓力容器法規(guī)。②PD為英國標準，代替原BS5500。③美國機械工程學會中的壓力管道標準。（2）焊后熱處理低合金耐熱鋼焊件可按對鋼和接頭性能的要求作下列焊后熱處理：①不作焊后熱處理；②580℃～760℃溫度范圍內(nèi)的回火或消除應(yīng)力熱處理；③正火處理。對某些合金成分較低、壁厚較薄的低合金耐熱鋼接頭，如焊前采取預熱，使用低氫低碳級焊接材料，且經(jīng)焊接工藝試驗證實接頭具有足夠的塑性和韌性，則焊件容許在焊后不作熱處理。對于低合金耐熱鋼來說，焊后熱處理的目的不僅是消除焊接殘余應(yīng)力，而且更重要的是改善金相組織，提高接頭的綜合力學性能，包括降低焊縫及熱影響區(qū)的硬度，提高接頭的高溫蠕變強度和組織穩(wěn)定性等[9]。因此，在擬定耐熱鋼接頭的焊后熱處理工藝參數(shù)時，應(yīng)綜合考慮下列冶金和工藝特點：①焊后熱處理應(yīng)保證焊縫熱影響區(qū)，主要是過熱區(qū)組織的改善；②加熱溫度應(yīng)保證接頭的Ι類應(yīng)力降低到盡可能低的水平；③焊后熱處理，包括多次的熱處理不應(yīng)使母材和焊接接頭各項力學性能降低到產(chǎn)品技術(shù)條件規(guī)定的最低值以下；④焊后熱處理應(yīng)盡量避免在所處理鋼材回火脆性敏感的或?qū)υ贌崃鸭y敏感的溫度范圍內(nèi)進行，并應(yīng)規(guī)定在危險的溫度范圍內(nèi)的加熱和冷卻的速度。表24列出了各國制造法規(guī)對低合金耐熱鋼焊件規(guī)定的最低焊后熱處理溫度。從表中數(shù)據(jù)可見，各國制造法規(guī)所要求的最低熱處理溫度有較大差異，這與各法規(guī)所遵循的設(shè)計準則、材料標準、工藝評定準則不同有關(guān)。法規(guī)所列的最低熱處理溫度不一定是最佳熱處理溫度，它應(yīng)根據(jù)焊件的運行條件、材料的供貨狀態(tài)、對接頭的性能要求以及焊接殘余應(yīng)力的水平等，應(yīng)通過焊接工藝評定來確定。例如，英國BS標準已考慮按材料應(yīng)達到的性能，如對最大程度的軟化，最高的常溫抗拉強度和最高蠕變強度等規(guī)定了不同的熱處理工藝參數(shù)。 表24 各國制造法規(guī)要求的最低焊后熱處理溫度 (單位：℃)鋼種ASME ASME BPVC ⅧBS 3351PD 5500(BS 5500)推薦溫度600~650≥595650~680650~680600~620600~650≥595——620~640700~750≥595630~670630~670③650~700②640~680—≥595630~670630~670③650~700②640~680700~750≥680680~720①700~750②630~670④680~720①700~750②680~7001CrMoV————720~7402CrMoWVTiB————760~780①以提高蠕變強度為主。②以軟化焊縫為主。③以提高高溫性能為主。④以提高常溫強度為主。 焊接熱輸入從降低冷卻速度、防止接頭淬硬冷裂角度考慮，應(yīng)適當提高低合金耐熱鋼的焊接熱輸入。但是，提高焊接熱輸入可能增加這類鋼對再熱裂紋的敏感性。在各項力學性能指標中，沖擊韌性受焊接熱輸入影響最大。焊接熱輸入較大的埋弧焊，其焊縫韌性較低。在氣焊和電渣焊條件下，常在過熱區(qū)出現(xiàn)如圖23所示的魏氏組織[10]。低合金耐熱鋼焊接時以較低的焊接熱輸入為好，焊接時如果必須擺動電弧，或取二者的最小值。圖23 魏氏組織 焊后消氫處理由于低合金耐熱鋼的焊接特性，容器每條焊縫焊完后，為了消除應(yīng)力和氫，需進行中間退火處理。這樣，一臺設(shè)備往往要經(jīng)過多次熱處理，即會使焊接接頭強度降低，又會增加制造成本，延長生產(chǎn)周期。為此，經(jīng)過多次試驗，采用了較低的溫度進行后熱消氫，可有效替代中間退火，使焊縫中的擴散氫充分逸出，從而避免裂紋產(chǎn)生。 低合金耐熱鋼焊接接頭性能控制與普通碳鋼和低合金鋼相比，對耐熱鋼接頭的性能提出了較高的要求，不僅是常溫力學性能，而且更重要的事高溫性能，包括高溫蠕變強度（高溫持久強度），高溫沖擊韌性和抗回火脆性等都必須滿足產(chǎn)品技術(shù)條件的要求。對于某些特殊的石化裝置，對焊縫和熱影響區(qū)的硬度還有嚴格規(guī)定。影響低合金耐熱鋼接頭力學性能的主要因素有下列三個：（1）焊縫金屬的合金成分；（2）焊接熱參數(shù)；（3）焊后熱處理工藝參數(shù)。（1）合金成分的影響焊縫中的碳顯著地提高了鋼的強度，但急劇地降低了韌性，使脆性轉(zhuǎn)變溫度上移。在某些低合金鋼中，碳含量的提高與韌性的下降并不成比例關(guān)系。例如，%的碳含量是保證高韌性的最佳含量。而在CrMo含量較低的焊縫中，%～%。焊縫中的Si也具有雙重作用。硅作為一種還原元素對焊縫金屬的性能起著有利作用，是保證焊縫致密性的必要元素之一。硅在CrMo鋼焊縫中，對消除應(yīng)力處理后的韌性產(chǎn)生不利影響。尤其是通過焊劑向焊縫金屬滲硅，將急劇加重回火脆性傾向。對于某些有回火脆性傾向的CrMo鋼焊縫金屬，w(Si)%以下。對于CrMo含量較低的耐熱鋼焊縫金屬，w(Si)%～%。在CrMo鋼焊縫中，Mn的作用與Si相似，它促使偏析加劇，產(chǎn)生一定的有害影響。然而Mn又促使顯微組織中形成針狀鐵素體，從而提高了焊縫金屬的韌性。氣體保護焊的CrMo鋼焊絲中，w(Mn)%～%。磷對焊縫金屬的回火脆性有很不利的作用。從曲線可以看出，%以下，可將磷的有害作用限制到最小程度。w(C)=%~%w(Si)=%~%w(O)=%~%() w(P)(%)403020100－10ΔVTr40(VT 39。r40－VTr40)/℃圖24 氧對CrMo鋼焊縫金屬的韌性亦有不利影響。由曲線可看出，為確保焊縫金屬的韌性，w(O)%以下。使用高堿度焊劑和堿性藥皮焊條可獲得w(O)%的焊縫金屬[11]。各種合金元素和雜質(zhì)對焊縫金屬韌性綜合影響可以下式表達：Tr20 = 436w(C)－54w(Mn) + 14w(Si) + 268w(P) + 819w(S)－61w(Cu)－ 29w(Ni) + 13w(Cr) + 23w(Mo) + 355w(V)－112w(Al) + 1138w(N) + 380w(O)－235/ (24)式中合金成分含量的適用范圍如下：w(C)=%～%，w(Mn)=%～%，w(Si)=%～%，w(S)=%～%，w(Cu)=%～%，w(Ni)=%～%，w(Cr)=%～%，w(Mo)≤%，w(V)≤%，w(N)=%～%，w(O)=%～%。690℃26h消除應(yīng)力處理+步冷處理690℃26h消除應(yīng)力處理100 200 300 400 500 600 700焊縫中氧含量102030405060VTrVT 39。r40/℃圖25 （2）焊接熱參數(shù)的影響焊接熱參數(shù)通常是指焊接熱輸入，預熱溫度和層間溫度。焊接熱參數(shù)直接影響接頭的冷卻條件。熱參數(shù)愈高，冷卻速度愈低，接頭各區(qū)的晶粒愈粗大，強度和韌性愈低，采用低的熱參數(shù)，則提高接頭的冷卻速度，有利于細化接頭各區(qū)的晶粒，改善顯微組織而提高沖擊韌性。但在低合金耐熱鋼焊接中，預熱和保持層間溫度是防止接頭冷裂紋和再熱裂紋的必要條件之一，故調(diào)整焊接熱參數(shù)主要通過控制焊接熱輸入[12]。大多數(shù)低合金耐熱鋼對焊接熱輸入在一定范圍內(nèi)的改變并不敏感。當焊接熱輸入超過30kJ/cm，預熱和層間溫度高于250℃，則CrMo鋼焊縫金屬的強度和沖擊韌性會明顯下降。（3）焊后熱處理的影響焊后熱處理的工藝參數(shù)對低合金耐熱鋼焊接接頭的力學性能產(chǎn)生復雜的影響。通常利用回火參數(shù)[P]來評定其影響程度。[P]值由熱處理溫度和保溫時間按下式計算： [P] = T (20 + lgt) 103 (25)式中 T——熱處理溫度，K；t——保溫時間，h。在低合金耐熱鋼焊件的各種熱處理參數(shù)中，回火參數(shù)[P]～。實際上，對于每種低合金耐熱鋼均有一個最佳范圍，即最合適的熱處理溫度和保溫時間范圍。，～，焊縫金屬沖擊吸收功達到最高值，焊縫金屬的韌性明顯下降，則由于碳化物的沉淀和集聚使韌性再度下降。SRSR+SC－60℃(SR )－60℃(SR +SC)－80℃(SR )－80℃(SR+SC )SR消除應(yīng)力處理SC步冷處理0 100 150 200 250 300 預熱、層間溫度/℃－50－60－70－80－4015105VTrVT 39。r40/℃沖擊吸收功/J圖26 回火參數(shù)對焊縫金屬強度性能亦有一定的影響，如圖27所示。隨著回火參數(shù)的提高焊縫金屬的抗拉強度和屈服強度不斷下降。，435℃的高溫短時抗拉強度已降低到標準規(guī)定的下限值?！?0h的回火處理。因此，在690℃回火時間不應(yīng)超過30h，如制造工藝過程要求工件多次熱處理累計時間超過30h，則應(yīng)適當降低回火溫度。焊接接頭各區(qū)的硬度與回火參數(shù)的關(guān)系和抗拉強度相似。焊后熱處理對低合金耐熱鋼焊接接頭的高溫持久強度有獨特的影響。從中可見，較高的回火溫度由于提高了組織穩(wěn)定性而延長了蠕變斷裂時間。延長回火處理保溫時間同樣有利于提高接頭的高溫持久強度。室溫σ b室溫σ s435℃ σ b 435℃ σ sσ b 室溫≥460MPaASME Ⅷ2σ b 435℃≥460MPaASME Ⅷ2 回火參數(shù)P=T(20+lgt)103650600550500450400350200抗拉強度和屈服強度/MPa(δ=50～150mm)[w(C)=%、w(Cr)=%、w(Mo)=%]圖27 1 10 100 1000 10000 100000蠕變斷裂時間/h試驗溫度：500℃FC=爐冷620℃/1hFC720℃/1hFC900℃/1hFC5004003002001000應(yīng)力/MPa圖28 低合金耐熱鋼主要用于高溫受壓或承載焊接部件。接頭力學性能包括高溫持久強度，直接決定了焊件的運行可靠性和使用壽命，尤其是對于某些低合金耐熱鋼，其接頭的高溫持久強度往往低于母材的下限值。因此，必須積累大量的接頭力學性能數(shù)據(jù)，特別是高溫性能數(shù)據(jù)，作為結(jié)構(gòu)計算強度的依據(jù)。在低合金耐熱鋼焊接工藝試驗和新型焊接材料的研制過程中，測定焊縫金屬和接頭的高溫持久強度是必不可少的。表25列出了鉻鉬低合金鋼焊縫金屬的典型數(shù)據(jù)。表25 鉻鉬低合金鋼焊縫金屬的典型數(shù)據(jù)鋼號焊接方法焊材牌號強度性能沖擊吸收功/J焊