再谈焊后热处理

1. 什么是焊接残余应力
 
    焊接残余应力是焊后残留在焊件内的焊接应力。焊接过程的不均匀温度场以及由它引起的局部塑形变形和比容不同的组织是产生焊接应力和变形的根本原因。现已清楚地证明焊接残余应力是延迟裂纹、再热裂纹的诱因之一；在腐蚀性介质中对应力腐蚀裂纹的产生起着重要的作用；此外，还会引发延迟变形影响结构或尺寸的稳定性等。为消除焊接残余应力，进行焊后热处理是最常用、最有效的方法。 
    消除残余应力的最通用的方法是高温回火，即将焊件放在热处理炉内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。 

 2. 热处理方法的选择

    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。 
    焊后热处理一般选用单一高温回火或正火加高温回火处理。对于气焊焊口采用正火加高温回火热处理。这是因为气焊的焊缝及热影响区的晶粒粗大，需要细化晶粒，故采用正火处理。
    然而单一的正火不能消除残余应力，故需再加高温回火以消除应力。单一的中温回火只适用于工地拼装的大型普通低碳钢容器的组装焊接，其目的是为了达到部分消除残余应力和去氢。
    绝大多数场合是选用单一的高温回火。热处理的加热和冷却不宜过快，力求内外壁均匀。

3. 压力容器采用的热处理方法

压力容器行业习惯上依据目的的不同，将常用的热处理方法分为四大类，即焊后热处理、恢复力学性能热处理、改善力学性能热处理以及消氢处理。

在压力容器制造行业中，通常所说的焊后热处理是指为改善焊接接头的组织和性能，消除焊接残余应力等影响，将焊接接头及其邻近局部在金属相变点以下均匀加热到足够高的温度，并保持一定的时间，然后缓慢冷却的过程。
具体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。

4. 焊后热处理目的

一.松弛焊接残余应力，改变组织形态。
二.稳定结构的形状和尺寸，减少畸变。
三.改善母材、焊接接头的性能，包括：
 a.提高焊缝金属的塑性。
 b.软化淬硬区，降低热影响区硬度。
 c.提高断裂韧性。
 d.改善疲劳强度。
 e.恢复或提高冷成型中降低的屈服强度。
四.提高抗应力腐蚀的能力。
五.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。 

5. 焊后热处理（PWHT）必要性的判断

压力容器有无焊后热处理的必要，在设计上应加以明确规定，现行的压力容器设计规范对此有要求。

焊制的压力容器，焊接区存在着较大的残余应力，而残余应力的不利影响。在一定的条件下才表现出来。当残余应力与焊缝中的氢相结合时，将促使热影响区硬化，导致冷裂纹和延迟裂纹的产生。

残存在焊缝中的静应力或负载运行中的动载应力与介质的腐蚀作用相结合时，将有可能引起裂纹状腐蚀，即所谓应力腐蚀。焊接残余应力及由焊接引起的母材淬硬是产生应力腐蚀裂纹的重要因素。

研究结果表明，变形和残余应力对金属材料的主要影响，在于使金属从均匀腐蚀转变为局部腐蚀，即转变为晶间或穿晶腐蚀。当然，金属的腐蚀破裂和晶间腐蚀均出现在对该种金属具有一定特性的介质中。

在残余应力存在的情况下，根据侵蚀性介质的成分、浓度和温度的不同，以及母材与焊接区的成分、组织、表面状态、应力状态等存在的差异而有所不同，从而，使腐蚀破坏的性质可能改变。

焊接的压力容器是否需要做焊后热处理，应从容器的用途、尺寸(特边是壁板厚度)，所用材料的性能以及工作条件等方面综合考虑决定。有下列情况之一的，应考虑焊后热处理：

一.使用条件苛刻，如在低温下工作有发生脆性断裂危险的厚壁容器，承受较大载荷和交变载荷的容器。
二.厚度超过一定限度的焊制压力容器。包括锅炉、石油化工压力容器等有专门法规、规范的。
三.对尺寸稳定性较高的压力容器。
四.由淬硬倾向大的钢材制造的容器。
五.有应力腐蚀开裂危险的压力容器。
六.其他有专门法规、规范以及图样予以规定的压力容器。

在钢制焊接压力容器中，在靠近焊缝的区域内形成达到屈服点的残余应力。这种应力的产生与拌有奥氏体的组织转变有关。许多研究者指出，为了消除焊后的残余应力，650度的回火对钢制焊接压力容器能产生良好的影响。

同时认为，如果在焊后不进行适当的热处理，就始终不能得到耐腐蚀的焊接接头。

一般认为，消除应力热处理属于焊接工件被加热到500-650度而后再缓慢冷却的过程。应力的降低起因于高温下的蠕变，在碳钢中从450度开始出现，在含钼的钢中，从550度开始出现。

温度越高，应力越易于消除。但是一旦超过钢材的原始回火温度，钢的强度便要降低。所以消除应力的热处理一定要掌握好温度和时间两个要素，缺一不可。

然而在焊件内应力中，总是伴生着拉伸应力与压缩应力，应力与弹性变形同时存在。当钢材的温度升高，屈服强度下降，原有的弹性形变会变成塑性形变，从而是应力松弛。

加热温度越高，内应力消除越充分。但温度过高时将使钢材表面严重氧化。另外，对于调质钢的PWHT温度，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。这一点对于热处理工作者来说，应予以特边关注。

消除内应力的焊后热处理温度越高，钢材软化程度越大，通常加热到钢材的再结晶温度，内应力就可消除，再结晶温度与熔化温度有密切关系。一般地，再结晶温度K=0.4X熔化温度(K)。热处理温度越接近再结晶温度，消除残余应力越有效。

6. 焊后热处理（PWHT）综合效果的考虑

焊后热处理并非是绝对有利的。一般情况下，焊后热处理有利于缓和残余应力，并对应力腐蚀有严格要求的情况下才进行。但是，试件的冲击韧性试验表明，焊后热处理对熔敷金属和焊接热影响区的韧性提高不利，有时在焊接热影响区的晶粒粗化范围内还可能发生晶间开裂。

再则，PWHT是依靠在高温下材料强度的降低来实现消除应力的，因此，在PWHT时，结构有可能失去刚性，对于采取整体或局部PWHT的结构，热处理前必须考虑焊件在高温下的支承能力。

所以，在考虑是否进行焊后热处理时，应将热处理的有利和不利两个方面综合比较。从结构性能上来看，有使性能提高的一面，也有使性能降低的一面，应在综合考虑两方面的基础工作上做出合理的判断。