1、东方锅炉 2 0 0 1 第 2期 7 焊后热处理时 间对 B HW 3 5焊缝 力学性 能影响的探讨 东 方 锅 炉杨 华 春 芳 芳 摘 要对 l 3 Mn Ni Mo 5 4 ( B HW3 5 ) 焊 接 工 艺 评 定试 板 分 别 进 行 2 mm mi n和 3 mm mi n丹 钟 的 不 同 时 阿 的焊 后 热 处 理 ， 以考 察其 对力 学 性 能 的影 响 。试验 结 果 表 明 退 时问较 短 的试 板 的力 学 性 能 略 优 于时 同较 长者 。 1 前 言 l 3 M n Ni Mo 5 4 ( B HW 3 5 ) 是 德 国 研 制 、 开 发 的可焊 贝
2、氏体 型耐 热结 构钢 ， 是 一种添加 有铬 、 钼和微 量铌的 细 晶粒 低 台盒钢 。其具有 较好的 焊接性 能 并有 较 高的 高温 屈 服点 和 对裂 纹不 敏感 的特性 。适 用于 工作 温度 不超 过 4 0 0 的 各种焊接 件 ， 如锅 筒 、 压 力容器等 构件 。我 厂主 要 用 其制 造 2 0 0 MW 、 3 0 0 MW 高压 、 超 高 压 的 锅炉汽 包 厚 度较厚 。对 8 9 5 mm 的锅炉 汽包 钢板的焊 接 一般采 用纵缝 电渣焊 环缝埋 弧 自 动焊的焊 接方法 。为 了做 好有关 的技术 和设备 的前 期 准 备工 作 ， 工厂 在近 期 的工
3、艺评 定 时也 采取 了备 用将 来 的 S MAW ( 手 工焊 ) NGS AW ( 窄 间 隙 焊 ) 的 方 法 ， 焊 前 均 经 预 热1 5 0 2 0 0C， 后 热 3 0 0 4 0 0C 2 3 h ； 焊 后 采 用 5 9 0 1 5 C 3 mm mi n的焊 后热 处理 。在最 近的焊 接 工 艺评 定实 践 中 ， 一 方面 出现 了焊缝 试样 冲 击 值 低于 规定 值 的现 象 另一 方面 退火 时 间较 长也会占 用设备并 浪 费能源 。 出于此种考虑 我 们利 用该 工艺 评 定的 余料 ， 做 了部分 缩 短焊 后 退 火时间的 工作 ， 以比较 考察
4、 力学性能 的变化 。 2 试 验用材 料与试 验方 法 我 厂最近 的 5 l #焊接 工 艺评 定试 验 + 材料 及 参 数 为 ： l 3 Mn Ni Mo 5 4焊 缝 试 板 ， 规 格 为 8 9 5， 焊 材牌 号 C HE6 0 7 Ni - 4 - H1 0 Mn 2 Ni Mo 焊 剂 为 s 儿0 h焊 接方 法 S MAW NGS AW ， 焊 前 均经预热 1 5 0 2 0 0 ， 后热 3 0 0 4 0 0 Z 一 3 h 。 焊后 进行两 次 5 9 0 士l 5 3 mm mi n的 焊 后热 处理 。金相组织均 为 贝氏体加铁 素体 。 5 l 】 #的
5、材料 ： 为 5 l #试 板 的余 料 ， 焊 接工 艺 和化 学 成分 自然 相 同 ； 但对 其 焊 后热处 理 的 时 间 进 行 了 调 整 改 为 2 mm mi l l 。 盒 相 组 织 均 为贝氏体加 铁 素体 。由于余料 尺寸 及数量的 原 因 未能 取到与正 式评 定 足够 多 的试样 ， 数据 仅 供参 考 。 焊缝 及母材 的化学成 分 见表 l 。 表 l 化学 成分 材料 项 目 C S i Mn P S C r Ni Mo Nb A】 t 0 1 1 0一 n 2 O 一 0 6 0 0 2 0 一 O O O 5 规 范 要 求 01 5 05 1 60 00
6、2 S 0 0 20 0 4 0 l 00 0 4 0 002 0 01 5 5 1 #母材 0 1 4 0 3 5 1 4 8 0 0 1 5 1 0 0 0 3 1 0 3 4 1 o 8 5 0 3 2 0 0 2 5 l #捍 缝 0 O 6 0 4 3 1 8 7 0 0 2 l 0 0 0 9 0 O 8 0 9 8 0 6 4 0 0 l 2 0 0 l 4 洼 ： 由于 5 儿 #为 5 1 #的 糸 料 - 故 化学 成 丹未 专 门列 出 焊缝 试板试 掸的拉 忡试验 、 高温拉 伸试验 、 冲击试验 、 低温 冲击试 验 、 弯 曲试验 的试验 方法 分 别 按 GB 2
7、 2 8 、 GB 4 3 3 8 、 GB T2 2 9 、 GB 4 1 5 9 、 GB 2 3 2的规 定执 行 。 3 结 果及讨论 3 1 试 验结果 焊 接 工 艺评 定 的焊接 试 板 ， 经 不 同焊 后热 处理 时 间的热 处 理后 ， 加工 成拉 伸、 弯 曲、 冲 击 试 掸进 行相应 的 试验 ， 得出 的有 关试 验结 果如 侧弯试验 、 全焊缝拉 力试验 、 接头 拉力试验及 冲 击试验 的结 果分 别见表 2 5 表 2 侧 弯试 验结 果 材 料项 目 弯 曲 l 0 O 。d=3 a 5 l # 台格 合格 台 格 i合格 5 1 l # 台格 合格 维普资
8、讯 http:/ 东方锅炉 2 0 0 1第 2期 表 3 全 焊缝拉 力力学性能 材料项目 ( MP a ) 曲 ( M P a ) 8 s ( ) ( ) 室温 3 g O 5 7 0 7 4 0 1 8 规范 要求：母 材 3 5 0 3 3 3 5 1 0 室温 5 7 0 7 0 0 2 2 7 0 母 材 实测 值 3 5 0 4 8 5 6 1 5 2 1 7 2 室温 6 2 5 6 3 5 7 4 5 7 4 5 2 3 2 4 6 5 7 0 5l# 350 460 460 54 5 570 l6 1B 6g一 75 室温 6 g O 8 0 0 2 3 6 3 5l1茸
9、3 5 O 4 7 6 5 g 2 1 6 6 6 注 ： 5 1 1 #在 3 5 0 的热 拉 试 样 为焊接 接 头 ， 断 裂 在焊 缝 外 - 说 明焊 缝 强 度高 于 母 材及热 影 响 区 ， 救 列人 以粗略 比较 表 4 焊接 头拉力 力学性能 材料项 目 0 ( M P a ) ( MP a ) 氐( ) ( ) 室温 3 9 0 5 7 0 7 4 0 l 8 规 范要 求：母材 3 50 33 3 5 l 0 室温 5 7 0 7 O O 2 2 7 O 母 材 实测 值 3 5 0 4 8 5 6 1 5 2 l 7 2 5 l # 室温 6 5 0 6 7 0 5
10、 儿 茸 室温 6 3 5 7 0 0 表 5 冲击 试验结 果 材 料 项 目 AKv ( J ) 对 焊鳢 及 热 影 响 区 O 热 影 响 区 3 1 焊缝 3 1 冲击 功 的 要求 热 影 响 区 3 9 焊 缝 3 9 O 热 影 响 区 1 7 4 ， 1 8 4 ， 1 0 6 焊缝 2 2 S 2 5 O 5 l茸 热 影 响 区 1 g 8 1 6 2 ， l 9 8 2 0 焊缝 g 4114 64 0 热 最 ； 响 区 1 8 6 2 0 9 2 0 5 焊缝 3 2 3 8 2 6 511吐 热 影 响 区 1 8 4 2 1 0 ， 2 1 8 20 焊缝 1
11、1 61 10 5 8 3 2讨论 ( 1 )侧 弯 由表 2可知 ， 退 火 时 间不 同的评 定 试板 的 焊缝 侧弯结 果均符 合要求 。 ( 2 )焊缝 拉力 表 3中退火时 间不同的 评定试板 的室 温焊 缝 拉 力结 果表明 ： 均 符 合规范的 要求 ， 且高于 母 材 的 实 测值 。但 退 火 时 间 较 短者 的强 度指 标 5 1 1 #均 高于 时 问较 长的 5 1 #的 试 样 且 其 塑 性 指标 8 未 见明显 降低 。 由 于 在 3 5 0 的 接 头 拉 力 试 样 断 在 焊 缝 外 说 明其 焊缝 的强 度指 标 高于 母材 及 热影 响 区的 实 际
12、值 ， 故 可 以将 该性 能 ( 已经列 入表 3 ) 与 表 3中 的 全焊 缝 中 温 强 度性 能 进 行 粗 略 比 较 ： 二者均 满足规范要 求 且退火 时 问较短者 的 中温强度 指 标高 于时 问较 长的 5 1 #的试样 。 这从 全焊 缝 拉 力试 验 数据 的 角度 ， 证 明 了 较 短的 2 mm mi n分钟的 焊 后热 处理不 仅 已经 足够 ， 而且 焊 缝金属 能得 到 强度 与塑性 配 合得 较 好的综 合力学性 能 。 维普资讯 http:/ 东方 锅炉 2 0 0 1第 2期 9 ( 3 )接 头拉力 表 4中退火 时间不 同的评定试板 的接头拉 力结
13、 果表 明 ： 均符 合规范 的要求 ， 而强 度指 标较 母 材 的实 测值 为低 ； 在 3 5 0 的 短时 高 温接 头 拉 伸试验结 果说 明 ： 退 火 时间较 短者 ， 即 5 1 1 # 与退 火 时间较长 的 5 1 #的试 洋相 比 ， 两者 的强 度 指标 中值 扳为接近 。 ( 4 )冲击 韧性 表 5中退火时 间不同的两 个评定号 的冲击 试 验 结 果 表 明 ： 除 5 1 # 焊 缝 和 5 1 1#焊 缝 的 0 冲击 的极个 别值 外 。 其余 各值 均 符合规 范 的 要 求 。 但退 火时 间较 短 者的 5 1 1 #的热 影 响 区+ 其 冲击韧性
14、指标 ； 无论是 在 0 C还是在 2 0 ， 均 高于 退 火时 间较 长 的相应 的、 5 1 #的试 洋的 冲 击 功 ： 这 相 当 明显地 说 明 了 2 mm mi n分 钟 的 焊后热 处理 时间 已经 足够 。 进 一步 延长退 火 时 间不 仅对 热影 响区的 冲击 功性 能起 不到应有 的 提高作用 。 反而使其略有降低。 对退火 时间较 短 者的 焊缝 ， 其 冲击韧 性 指 标 ： 仅有 5 1 1 #的试 样 在 0C的 平均 冲 击 功 低 于时 间 较 长 的相应 的 5 1 #的 试 样 的 平均 冲击 的 ， 但基本属 于 合格 。 从焊缝 、 热 影响 区的
15、 缺 口冲击 韧性 指 标方 面 。 也基 本证 实 了 2 mm mi n分 钟 的 焊 后 热 处 理时 间能够满 足要求 。 3 3试验结 果分析 出现 上述 较短的退火 时 间的试板的综 合力 ，学性 能 反而较 退 火 时 间长的 试样 为 佳的现 象 。 很 可能 是 由于经 该 较短 时 间的焊 后热 处理 后 + 其焊 接 残 余应 力 已经 得到拴 驰 和稳 定化“ 了 ， 性能 已达 到较 佳的配 台； 而 延长退 火时 间 ， 由于 材 料 内部 的原 子 过度 扩 散 。 导致 焊接 件 的材 料 内部 的 微观组 织 、 结构 出现 光学 显微 镜 不一 定 能观察
16、到的变 化 诸 如 沉淀 相在组织 内部产生 、 固溶 强 化元 素在 固溶 体 内的 扩 散 ， 进而 引发 材料 发生 相应 程度的 软化 故 出现强度降 低而 塑性 并未 提高 的现象 。 资料 赍绍 ， 对不同 钢种 ， 焊 后热 处理的 影 响 不一定相 同： 对 固溶强 化的 钢 ， 焊后热处理 的 确有利 ， 而对含有能形成沉淀硬化相的钢则未 必总是有 利 。实际 上 ， 焊后热处理 的过程 中 ， 除 了组织 会发 生变 化 ( 另外 也有 沉淀相 伴 生 ) 外 ， 的确还 要产 生应 力松驰现 象 ， 其 都会 对 材料 的 性能 产生相当 多的影响 。 在一 定的温度 区
17、闻 ， 焊 后热处理对 应 力松驰 、 材料 硬度 的影响 ， 可 用 回 火参数 ( 表征 回火 温度 与 回火时 间的综 合作 用) P给予 表 示 ， 其 有 如 下 的表 达 式 ， P=T( 2 O+ l g t ) 1 0 一， P值 越 大 ， 钢的 硬 度 降低 越 明 显 、 应 力松驰 程度 也越 高 ； 这 是因 为 焊后热 处理 使 得 钢中组 织相 当于 进 行 回火 并降低 位错 密 度 ， 对改善其韧性有利 ； 但 P值有 一个最佳值 ， 其 过 大和过小均 不利 ， P值越 大 ， 强 度越低 。 从资料 “ 中的焊后热 处理 回火参 数的 公式 P=T( 2
18、0 + l g t ) 1 0 ， 可 以 知 道 ： 焊 后热 处理 回火温度 和 回火时 间两 者对 P值 的影 响 ， 以温 度 最 为重要 ( 温 度 与 P值 成 正 比。 温度 越 高 ， P 值 越大) ， 时 问 只是 一个 相对 轻 得 多 ( 取 时间 的 对 数 ， 时间就 算长达 1 0 0 h ， 其 影响也很 小 ) 的 角 色。 这 说明焊 后的热 处理 效 果 ， 主 要取决 于处理 温度而 并非时 间 。 综 合上面 的试 验结 果 和分 析 可知 ， 较 短 退 火时 间的 试板 的综 合力学性 能 较好 ， 这 可能 是 由于 工艺评 定 的焊 后热 处理
19、 温 度偏上 限 ， 这 样 的话 。 时间的影响相 对 突出了 。 对于我厂工 艺评 定实践 具 体到 什 么温度 或多 长时 间才能 得 到 最佳 的强 韧性 配 台 ， 则需进 行更 多的试验 进 行 研究 ， 以得出晟佳焊 后热处理 工艺 。 3 4 焊后 热处 理规 范讨 论 针 对 1 3 Mn Ni Mo 5 4 ( B HW3 5 ) 的热 处 理 规 范 尤 其是 关于其焊 后热处理 规 范 。 不同的资 料 提 出了不 同的 加热温 度和保温时 间 。 据资料 介绍 国外 ( 梯森 钢厂 的材料 规 范) 对 1 3 Mn Ni Mo 5 4 ( B HW3 5 ) 的热处
20、理 规范推 荐如下 ： 8 9 0 9 5 0 正火 ( 均温 后在静止 的空气 中冷 却 ) + 5 8 0 6 5 0 回火 ( 保 温 时问 按 3分 毫 米扳 厚 ， 在静 止的空气 中冷却 ) 4 - 5 3 0 6 5 0 焊 后 热处理 ( 保温 时 间按 2分 毫米 扳厚 ， 但 不 少于 3 0分钟 ， 且 至少 低于 回 火 3 0 ) ； 冷 加 工 后一般要进行消豫应力退火， 而焊接 后必须进 维普资讯 http:/ 1 0 东方 锅炉 2 0 0 1 第 2期 行 焊 后 热 处 理 。 据资 料“ 介 绍 对 l 3 Mn Ni Mo 5 4 ( B HW3 5 )
21、 的 热处理 为 ： 9 1 0 9 4 0 C正火 ( 保温 时问 1 5分 毫 米 ， 空冷 ) +6 1 0 6 5 0 C回火 ( 保温 时间按 3 分 毫 米 板 厚 空 冷 ) 消 除 应 力退 火 处 理 温 度 6 0 0 6 2 0C， 保 温时 间 4分 毫 米 ， 炉 冷。手 工 焊 、 自动焊 后要进行 消除应 力处理 ； 而 电渣 焊后 进 行 正 火 加 回火 处 理 。 据资料 “ 的 消除应 力退火 处理 则为 ： 5 3 0 6 o oC焊后 热处理 保温时 间按 2 3分 毫米 计 算 ， 但不 少 于 3 0分 钟 且 至 少低 于 回火 3 0 ， 炉冷
22、 ； 除退 火 保温时间 不一样外 ， 其 余处理 与资 料E Z - 3 相 同 我厂在 以前的锅 炉汽包 生产制造 实践 中采 用 的工 艺是 ； 焊 后进行 5 9 0 1 5 8 h的焊后热 处理 ； 经过 改进 现 行生产制造 中所用 的退 火工 艺 是 ： 焊 后 进 行 5 9 0 1 5 C 3 mm mi n的 焊 后 热处理 ； 本次 工 艺评 定中采 用的同样 是 ： 焊 后进 行 两 次 5 9 0 l 5 c 3 mm mi n的 焊 后 热 处 理 ， 之所 以采 用 两次 焊 后热 处理 的 原因 是 ： 我 厂对 今后 电厂 的返 修 补焊 进行 模 拟 ， 以
23、考 虑 比较 其 性 能 。 由 上 面 不 同 资 料 的 对 】 3 Mn Ni Mo 5 4 ( B HW3 5 ) 焊 缝 的 焊 后热 处理 与我 厂 的焊 后退 火 处理 规 范相 比较可 知 ： 我 厂采 用 的工 艺基本 上处 于上述 不同推荐 值的 中上 部 。但 梯森钢 厂 的 材料 规 范主 要 是从钢 厂角 度 ， 多是 只考虑 井 针对 的 是原 材 料 ， 井 未考虑 锅 炉 简体 的实 际情 况 ； 而从资 料“ 中看 来 其 的确对 实际工 况有所 考虑 ； 资料 的消 除应 力退 火 处理 的 处理 时 间 长短 则对 上 述两 种工 艺规 范 的时 间有所
24、结 合 ； 我厂 的热处理 工艺主 要是基于 此 。但 仍可 以看 出 ， 我 厂的 工艺 评 定焊 后热 处理 温度 偏上 限的 情 况下 保温 了较长 的 时间 。 考虑 到实际 生产过 程中 汽包 是一个接 近封 闭的简体 ， 要将 其在炉 中 加 热 时 热 透 ( 相 当 于 加 热 两 个 壁 厚 共 1 9 0 ram) 的确要有较长的时间 该工艺还是 可 行的 其是该焊 后热处理工艺 仍有 可能进一 步 优 化； 如 适 当减少退 火 时 间 或适 当降低 处理 温 度， 但具体到什么时间或温度能得到最佳的强 韧性 配 合 剐需 进行 更 多的 试板 进行 试验研 究 ， 以得
25、 出最佳焊 后热 处理工艺 在 目前仅有的 试 验结 果 条件 下 ， 笔者 建议 采用 焊 后进 行 5 9 0 土 l 5 c； 2 mm ml n的焊 后热 处理 工 艺 4结论 及建议 对 经 2 mm mi n和 3 ram rai n分钟 焊 后 热 处理的该焊接工 艺评定 试板的 力学性 能试 验研 究 ， 可 以得 出如 下初 步结论 ； 1 )退 火 时 间较 短 的试 板的 力学性 能要 略 优 于 时间较长者 。 2 )建议 在实际工 艺 中采用 较短的 退火 时间 ， 采 用焊接 后 进行 5 9 0 1 5 2 ram rai n的焊 后 热 处 理 3 )建 议对
26、焊 后热 处 理工 艺 参 数进 行进 一 步 优 化选择 ， 进 行更 多的试验 研究 ， 以确定最佳的 焊 后热处 理工 艺 参考资料 1 钢 铁 材料 及 有 色金 属 材 料 ( 华 中工 学 院) 崔 昆机械工 业出版 社 1 9 8 1 E z 3 材料 与热处 理 ( 压 力容器 制造 手册 一2 ) 兰 州石油 化工 机器 厂二 分厂1 9 7 7 E 3 3 B HW 3 5和 W B 3 6标 准 ( 材料技 术 指导 性文 件之二 ) 东方锅 炉 厂1 9 9 0 E 4 3 机 电工 程 金属 材料 手 册万嘉 札上 海 科学技术 出版社1 9 9 0 E 5 3 锅炉 受 压元 件用 钢性 能 手册上 海发 电 设 备成套设 计 研究所1 9 9 5 E 6 3 焊接 冶 金原理 阵伯 蠡 清华 大 学 出版 社1 9 9 1 在本 文的 成 文过 程 中 ， 材 料 研 览 所 鲁 所 长 培 干 了审 闽 、 并1 ie 出讯 奸 建议 ， 特 地 在此 致谢 J 维普资讯 http:/
