学文网[摘要] 金属工件在冷热加工过程中都会产生残余应力，残余应力值高者在屈服极限附近构件中的残余应力大多数表现出很大的有害作用;如降低构件的实际强度、降低疲劳极限，造成应力腐蚀和脆性断裂，由于残余应力的松弛，使零件产生变形，大大的影响了构件的尺寸精度。因此降低和消除工件的残余应力就十分必要，由残余应力引起的疲劳失效更不容忽视。工业工程的碳素钢及合金钢管道工程焊后热处理工艺在热处理技术规程中已有了较为完善的说明，但有关实际操作中的资料较少，本文主要介绍了在工业工程施工中管道焊后热处理及由于热处理不正确出现的缺陷，以及在实际操作中怎样避免这些缺陷。
[关键词]焊前预热；焊后处理；热处理工艺；热处理缺陷；
中***分类号：P755.1 文献标识码： A
0 引言
随着机组向越来越大容量的发展，合金钢大量应用，对焊接热处理的要求越来越高，越来越严格。焊件经不正确的焊后热处理，会产生各种缺陷，有些缺陷可以经过重新热处理予以纠正，但有些缺陷却无法补救而造成废品。
1 焊前预热
重要构件的焊接、合金钢的焊接及厚部件的焊接，都要求在焊前必须预热。焊前对焊件整体或焊接区域局部进行加热的工艺手段称为预热。对于焊接强度级别较高、有淬硬倾向的钢材、导热性能特别良好的材料、厚度较大的焊件，以及当焊接区域周围环境温度太低时，焊前往往需要对焊件进行预热。
1.1焊前预热的主要作用
1.1.1预热能减缓焊后的冷却速度
有利于焊缝金属中扩散氢的逸出，避免产生氢致裂纹。同时也减少焊缝及热影响区的淬硬程度，提高了焊接接头的抗裂性。
1.1.2预热可降低焊接应力
均匀地局部预热或整体预热，可以减少焊接区域被焊工件之间的温度差（也称为温度梯度）。这样，一方面降低了焊接应力，另一方面，降低了焊接应变速率，有利于避免产生焊接裂纹。
1.1.3预热可以降低焊接结构的拘束度
对降低角接接头的拘束度尤为明显，随着预热温度的提高，裂纹发生率下降。预热温度和层间温度（注：对焊件进行多层多道焊时，当焊接后道焊逢时，前道焊缝的最低温度，称为层间温度。对于要求预热焊接的材料，当需要进行多层焊时，其层间温度应等于或略高于预热温度，如层间温度低于预热温度，应重新进行预热。焊接奥低体不锈钢时，为保持焊接接头有较高的耐蚀性，需要有较快的冷却速度，因此此时需要控制较低的层间温度，即在前道焊缝冷却到较低温度时，再进行后道焊缝的焊接。） 预热温度和层间温度的选择的选择不仅与钢材和焊条的化学成分有关，还与焊接结构的刚性、焊接方法、环境温度等有关，应综合考虑这些因素后确定。另外，预热温度在钢材板厚方向的均匀性和在焊缝区域的均匀性，对降低焊接应力有着重要的影响。局部预热的宽度，应根据被焊工件的拘束度情况而定，一般应为焊缝区周围各三倍壁厚，且不得少于150-200毫米。如果预热不均匀，不但不减少焊接应力，反而会出现增大焊接应力的情况。
2 管道焊后热处理
在冷热加工过程中都会产生残余应力，焊接残余应力是由于焊接引起焊件不均匀的温度分布，焊缝金属的热胀冷缩等原因造成的，所以伴随焊接施工必然会产生残余应力。消除残余应力的最通用的方法是高温回火，即将焊件加热到一定温度和保温一定时间，利用材料在高温下屈服极限的降低，使内应力高的地方产生塑性流动，弹性变形逐渐减少，塑性变形逐渐增加而使应力降低。焊后热处理对金属抗拉强度、蠕变极限的影响与热处理的温度和保温时间有关。焊后热处理对焊缝金属冲击韧性的影响随钢种不同而不同。
2.1管道焊后热处理的一般规定
1.进行焊后热处理应根据钢材的淬硬性、焊件厚度、结构刚性、焊接方法及使用条件等因素综合确定。
2.对有应力腐蚀的焊缝，应进行焊后热处理。
3.非奥氏体异种钢焊接时，应按焊接性较差的一侧钢材选定焊前预热和焊后热处理温度，但焊后热处理温度不应超过另一侧钢材的临界点AC1（（AC1——加热时，珠光体向奥氏体转变温度）。
4.对容易产生焊接延迟裂纹的钢材，焊后应及时进行焊后热处理，当不能及时焊后热处理时，应在焊后立即均匀加热至200～300℃，并进行保温缓冷，其加热范围应与焊后热处理要求相同。
5.焊前预热及焊后热处理温度应符合设计或焊接作业指导书的规定，当无规定时，常用管材焊接的焊前预热及焊后热处理温度宜符合表1《常用管材焊前预热及焊后热处理工艺技术条件》中的规定。
6.焊后热处理应在焊缝外观检验及无损检测合格后，且在压力试验前进行。
7.经焊后热处理合格的部位，不得再从事焊接作业，否则应重新进行热处理。
8.焊接热处理人员应经专业培训，焊接热处理人员应按规范、焊接作业指导书及设计文件中的有关规定，进行焊缝热处理工作。
9.进行焊后热处理时，应测量和记录其温度，测温点的部位和数量应合理，测温仪表应经计量检定合格且在有效期内。
2.2管道焊后热处理的技术条件
1.焊后热处理的工艺条件（见表1）
2.焊后热处理的加热速率，热处理温度下的恒温时间及冷却速率应符合下列规定。
1）当温度升至400℃以上时，加热速率不应大于（205×25/δ）℃/h，且不得大于330℃/h。
2）焊后热处理的恒温时间应为每25mm壁厚恒温1h，且不得少于15min，在恒温期间内最高与最低温差应低于65℃。
3）恒温后的冷却速率不应大于（60×25/δ）℃/h，且不得大于260℃/h，400℃以下可自然冷却。
表1 常用管材焊前预热及焊后热处理工艺条件
3热处理工艺
3.1 加热和冷却方法
1．加热方法应能提供要求的金属温度、金属温度的均匀性和温度控制，可包括封闭炉口加热，局部火焰加热，电阻、电感应加热等。
2．冷却方法应能提供要求的或期望的冷却速率，可包括在炉内冷却、空气中冷却、使用局部加热或绝热来控制冷却速率。
3.2 整体热处理
焊后需进行消除应力热处理的管道组件，应尽可能在热处理炉内进行整体热处理，但该组件不得带有焊接阀门等组件。
3.3 分段热处理
当焊接完毕的管道组件需进行消除应力热处理，可允许进行分段热处理，在分段热处理时，重复加热的长度至少为300mm。同时需对未加热部分进行保护，以防止有害的温度梯度。
3.4 局部热处理
1．对接焊缝热处理时，应对其环形带进行加热，加热宽度：以焊缝中心为基准，每侧不应小于焊缝宽度的3倍，且不少于25 mm。加热区以外的100 mm范围内应予以保温，以防止产生有害的温度梯度。
2.支管与主管之间的焊缝热处理，应环绕主管环带加热、并应包括支管在内，直至整个管截面达到规定的温度范围。加热宽度从焊缝中心算起，至少宽出六倍的主管壁厚，加热带以外部分进行保温，以防止产生有害的温度梯度。
3.火焰加热法热处理工艺
1）φ＜60mm管道，焊口热处理可以采用火焰加热。按规定的加热速率，加热到预定温度后，保持5～10分钟，随后用较小的火焰使其缓冷即可，同时应消除焊口内外壁的温差。
2）采用数字式测温仪测量，控制热处理温度。加热应由焊工或其他持有动火证的人员承担，但记录和测温等工作由热处理工承担。
4.电加热法热处理工艺
1）φ＞60mm管道，焊口焊后热处理，采用履带式或绳状电加热板加热，用程序自控热处理机进行热处理。
2）采用程序自控热处理机进行焊后热处理按如下工序流程进行：
设置热电偶——设置履带式或绳状加热板——包覆保温材料——热处理机设置——链接工作电缆——检查电缆链接是否正确——启动热处理电源——中间检查——程序结束后打开保温层。
3）热处理时应卸下阀门，对于焊接阀门，在热处理时应将阀门打开。
4）热电偶测温点应设在焊缝中心，当管口直径>300mm时，应在焊缝的顶部和底部设一个测温点，并与被加热金属管道紧密接触。热电偶丝采用专用点焊机点在焊缝中心，热处理结束后，应将疤点磨平。
5）保温材料应有足够的厚度，一般应为20～60mm范围以内,厚壁管还应在40～60mm范围以内。选择的保温材料应能经受热处理温度且导热系数较小，保温材料需包扎牢固，防止脱落，影响热处理效果。
3.5加热和冷却速度
温度在400℃以上时，焊接件的加热速度计冷却速度按下式计算：
a加热时V1≤220*25/(S),且50≤V1≤220
式中，V1——加热速度，℃/h；
S——焊接部位最大厚度，mm；
b冷却时V2≤275*25/(S),且50≤V2≤275
式中，V2——冷却速度，℃/h；
S——焊接部位最大厚度，mm；
恒温后的冷却温度降到400℃时，程序结束可以打开保温层让其自然冷却。
4热处理缺陷
4.1过热
焊件在退火状态下的断口上呈现特别粗大的晶粒，在淬火的断口上呈现粗大的马氏体针状结构。在加热过程中，不严格控制加热工艺所致，如加热温度过高或在高温下的停留时间过长，导致粗化的结构，极易出现裂纹，即使不出现裂纹，也会使焊件的强度、塑性、韧性大大降低。为预防过热，加热温度必须严格控制，同时在高温的停留时尽量缩短。对过热程度严重的焊件可重复二次退火或正火来纠正。
4.2过烧
除断口呈现粗大晶粒外，在晶粒间的边界处有熔化或氧化现象，即在晶间集聚着低熔点的杂质或氧化物。加热温度过高（大于1300℃）或在高温下保温时间过长，导致产生过烧后会使焊件的强度、塑性、韧性急剧降低。必须严格执行热处理规范，且不允许氧化性火焰直接与焊件接触。产生过烧后，焊件无法补救。
4.3变形与开裂
焊件的变形与宏观裂纹一般用肉眼可见。一是由于焊件的内应力产生，内应力的产生是由于焊件的加热冷却时内外温度不均匀造成体积膨胀或收缩不一致而引起的热应力。二是由于内部A 向 M 转变时体积变化的不均匀性引起的结构应力，当应力超过焊件的屈服极限时发生变形。当超过焊件的强度极限时发生裂纹。造成返工，增加生产工序，提高了成本，有时还造成焊件的报废。采取降低内应力措施预防。
4.4 硬度升高
回火后，检测值超出有关标准要求。回火温度不够高或保温时间不够长所致，而过高的温度也会造成硬度升高，这是由于温度控制不准确，以至焊件加热至AC1 以上，在钢中出现A，当急冷时又出现M，使钢的硬度升高。硬度升高而塑性和韧性降低。为纠正这一缺陷，可采用第二次正确的回火处理，提高回火温度或延长回火保温时间。对出现M时，必须重新对钢进行回火，正确控制回火温度。
4.5氧化和脱碳
氧化是指焊件表面生成一层厚的氧化皮。在低温下钢的氧化作用比较缓慢，在钢的表面层形成一层薄层棕黄色铁锈；在高温情况下，钢的氧化很快，随温度的升高氧化铁皮层的厚度急剧增加。过厚的氧化铁皮其危害性很大。一是会使钢材的损耗量增加；二是钢材或焊件因铁的消耗而造成尺寸不合格；三是氧化皮传热性很差，阻碍钢在淬火时迅速冷却，使钢不易淬硬或淬透；四是在低温时粘在工件上的氧化铁皮增加切削工件时的困难并使切削工具损伤很大；五是为了清除氧化皮，要增加研磨和酸洗的设备与操作工序，增加成本。
脱碳是指钢的表面层中的碳与空气中的氧化合成一氧化碳气体，而逸出钢件表面，即钢表面层中的碳被脱除。这一现象只有在高温（高于700℃）的氧化性气氛中表现出来，并随温度的升高，脱碳现象越加严重。脱碳的结果使钢在冷却后表面层处生成一层不含碳的F 体结构。
氧化和脱碳是钢在高温加热时较难避免的现象，并且着两种现象会常常伴随在一起产生。加热温度过高或在高温下保温时间过长，钢的氧化和脱碳就愈加严重，为减轻或防止钢的氧化和脱碳作用，在热处理操作时，应准确控制加热温度，使其不超过规定的温度范围，并在高温下按规定时间保温。当采用火焰热处理时，应选用中性火焰或还原性火焰，而不允许含有过量的氧化性火焰。
4.6缺陷预防
工业工程建设中的管道焊后热处理主要是局部热处理，其方式为高温回火。就现场条件发现的缺陷造成的因素综合来讲有两大类:一是热处理有四大因素，即升温速度、保温温度、保温时间、降温速度。这四个因素不准确都直接影响热处理的效果，所以对热处理工艺要求有据可查，并根据工艺评定制定工艺指导书，在施工过程中要严格执行工艺要求，不可擅自更改工艺中数据，以免造成人为缺陷。二是“工欲善其事，必先利其器”，在工作前必须对使用的工器具进行检查、校对和测试。对热电偶、温控仪、记录仪等测温工器具要有专业人员进行校对，以确保准确的测量工件的温度。对使用的材料性能进行检查，如保温材料的保温效果、耐高温程度及其强度等。
5结论
管道焊前预热能够降低冷却速度，但又基本上不影响在高温停留的时间，所以降低冷却速度减小淬硬倾向的主要工艺措施是进行预热，由于焊接引起焊件不均匀的温度分布，焊缝金属的热胀冷缩等原因造成焊接后产生残余应力。消除残余应力的最通用的方法是高温回火，即将焊件加热到一定温度和保温一定时间，利用材料在高温下屈服极限的降低，使内应力高的地方产生塑性流动，弹性变形逐渐减少，塑性变形逐渐增加而使应力降低。采取正确热处理工艺的条件下，管道焊后热处理清除金属工件在冷热加工过程中所产生残余应力，保证管道的实际强度、疲劳极限，避免变形、应力腐蚀和脆性断裂。
参考文献：
[1] 现场设备、工业管道焊接工程施工及验收规范（GBJ 236-1982）；
[2] 碳钢、低合金钢焊接构件 焊后热处理方法（***-T 6046-1992）；
[3] 金属热处理工艺术语（GB 7232-87）；