关于焊后消氢及热处理

刘明强

关键梁柱的冲压、压铸的冲压及厚组件的冲压，都要求在焊前必须紧接著。焊前紧接著的主要就促进作用如下：

（1）紧接著能减慢焊后的冷却速度，有助于沟槽金属中蔓延氢的逸出，防止造成氢致裂缝。同时也增加沟槽及热负面影响区的淬硬程度，提升了冲压接点的抗裂性。

（2）紧接著可增加冲压形变。光滑地局部性紧接著或总体紧接著，能增加冲压地区被焊钻孔之间的环境压强（也称为环境各向异性）。这样，一方面增加了冲压形变，另一方面，增加了冲压快速反应速度，有助于防止造成冲压裂缝。

（3）紧接著能增加冲压内部结构的束缚度，对增加角接接点的束缚度格外明显，随着紧接著大气压力的提升，裂缝死亡率上升。

紧接著大气压力和接合处大气压力的选择不仅与废钢和铜焊的化 学成分相关，还与冲压内部结构的连续性、冲压方式、环境大气压力等相关，应综合考虑这些因素后确定。另外，紧接著大气压力在废钢板厚方向的光滑性和在沟槽地区的光滑性，对增加冲压形变有着关键的负面影响。局部性紧接著的长度，应根据被焊钻孔的束缚度情形TNUMBERA0512Ci，通常应属沟槽区周围各五倍壁厚，且不得多于150-200毫米。如果紧接著不光滑，不但不增加冲压形变，反而会再次出现增大冲压形变的情形。

焊后退火的目地有三个：消氢、消解冲压形变、改善沟槽组织机构和综合型能。

焊后消氢处置，是指在冲压完成之后，沟槽尚未冷却至100℃以下时，展开的高温退火。通常规范为冷却到200~350℃，隔热2-6小时。焊后消氢处置的主要就促进作用是加快沟槽及热负面影响区中氢的逸出，对于防止低压铸冲压时造成冲压裂缝的效果极为显著。

在冲压过程中，由于冷却和冷却的不光滑性，以及梁柱本身造成束缚或另加束缚，在冲压工作结束后，在梁柱中协进会造成冲压形变。冲压形变在梁柱中的存在，会增加冲压接点区的实际承载力，造成形变，严重时，还会导致梁柱的破坏。

消形变退火是使焊好的钻孔在高温状态下，其退让强度上升，来达到僵硬冲压形变的目地。常用的方式有两种：一是总体高温淬火，即把焊件总体放进冷却炉内，较慢冷却到一定大气压力，接着隔热一段时间，最后在空气中或炉内冷却。用此种方式能消解80%-90%的冲压形变。另一种方式是局部性高温淬火，即只对沟槽及其附近地区展开冷却，接着较慢冷却，增加冲压形变的最大值，使形变分布比较陡峭，起到部分消解冲压形变的目地。

有些压铸金属材料在冲压之后，其冲压接点会再次出现淬硬组织机构，使金属材料的耐热性转好。此外，此种淬硬组织机构在冲压形变及氢的促进作用下，可能导致接点的破坏。如果经过退火之后，接点的金相组织机构得到改善，提升了冲压接点的塑性、韧性，从而改善了冲压接点的综合耐热性。

消氢处置是在300～400度冷却大气压力范围内隔热一段时间。目地是加速冲压接点中氢的逸出，消氢处置效果比高温后热更好。冲压后及焊后退火，焊后及时后热及消氢处置是防止冲压冷裂缝的有效措施之一，对于厚度超过100mm的厚壁压力容器及其他关键的产品梁柱，冲压过程中，为防止因厚板多道多层焊氢的积聚而导致的氢致裂缝，应展开2到3次中间消氢处置。

压力容器设计中对退火的考虑

压力容器设计中对退火的考虑退火作为一种传统并行之有效的改善和恢复金属性能的方式在压力容器设计、制造等环节中一直属于相对薄弱的环节。压力容器涉及四种退火：焊后退火（消解形变退火）；改善金属材料性能退火；恢复金属材料性能退火；焊后消氢处置。这里重点对压力容器设计中应用广泛的焊后退火的相关问题予以讨论。

1、奥氏体不锈钢制压力容器是否需要焊后退火焊后退火是利用金属金属材料在高温下退让极限的增加，使形变高的地方造成塑性流变，从而达到消解冲压残余形变的目地，同时能改善冲压接点及热负面影响区的塑性和韧性，提升抗形变腐蚀的能力。此种消解形变的方式在具有体心立方晶体内部结构的碳素钢、低压铸制压力容器中被广泛采用。奥氏体不锈钢的晶体内部结构是面心立方，由于面心立方晶体内部结构的金属金属材料比体心立方具有更多的滑移面，因而表现出良好的韧性和快速反应强化性能。另外，在压力容器设计中，选用不锈钢往往是为了防腐蚀和满足大气压力的特殊要求这两个目地，加上不锈钢与碳素钢和低压铸相比价格昂贵，所以其壁厚都不会很厚。因此，从正常操作的安全性考虑，没有必要对奥氏体不锈钢制压力容器提出焊后退火的要求。至于因使用而再次出现的腐蚀，金属材料不稳定，如：疲劳，冲击载荷等不正常操作条件而带来的恶化情形，在常规设计中是难以考虑的。如果存在这些情形，需要由相关的科技人员（如：设计、使用、科研等相关单位）经过深入研究，对比实验，拿出切实可行的退火方案并确保压力容器的综合使用性能不受负面影响。否则，如果没有充分考虑退火对于奥氏体不锈钢制压力容器的需要与可能，简单地类比碳素钢与低压铸的情形而对奥氏体不锈钢提出退火要求，往往是行不通的。在现行标准中，对奥氏体不锈钢制压力容器是否展开焊后退火的要求比较含糊。在GB150—89《钢制压力容器》10.4.1.3中规定：除图样另有规定外，冷成形的奥氏体不锈钢封头可不展开退火。至于其它情形是否展开退火则可能由于不同人的理解而异。在GB150—1998《钢制压力容器》10.4.1中规定：容器及其受压元件符合下列条件之一者，应展开退火。其中的第二、三项为：有形变腐蚀的容器，如盛装液化石油气，液氨等的容器和盛装毒性为极度或高度危害介质的容器。只是在10.4.1.1.f）中规定：除图样另有规定外，奥氏体不锈钢的冲压接点可不展开退火。从标准表述的层次来分析，这一要求应理解为主要就是针对第一项中所列举的各种情形而言。上述的第二、三项的情形不一定能够包括在内。所以，建议在适当的时候应当以增补的方式将10.4.1.1.f）改为用10.4.1.4的方式表达。这样能更全面、准确地表述对奥氏体不锈钢制压力容器焊后退火的要求，使设计者能够根据实际情形自行决定对奥氏体不锈钢制压力容器是否需要退火和怎样展开退火。99版容规的第74条明确：奥氏体不锈钢或有色金属制压力容器冲压后通常不要求做退火，如有特殊要求需展开退火时，应在图样上注明。

2、 爆炸不锈钢复合钢板制容器的退火爆炸不锈钢复合钢板因其优越的耐蚀性能与机械强度的完美组合及其合理的性价比，因此在压力容器行业的应用越来越广，但是此种金属材料的退火问题也应引起压力容器设计人员的注意。压力容器设计人员对于复合板通常比较重视的技术指标是其结合率，而对于复合板的退火问题往往考虑的很少或者认为这一问题应由相关的技术标准及制造厂考虑。爆炸加工金属复合板的过程，本质上是在金属表面施加能量的过程。在高速脉冲促进作用下，复材向基材倾斜碰撞，在金属射流状态下，复层金属与基层金属间形成锯齿状的复合界面，达到原子间的结合。经过爆炸加工后的基材金属，实际上是经受了一次快速反应强化的加工过程。其结果是抗拉强度σb上升，塑性指标上升，退让强度值σs不明显。无论是Q235系列的废钢还是16MnR，经过爆炸加工后再检测其耐热性指标，都呈现出上述快速反应强化现象。对此，钛—钢复合板与镍—钢复合板都要求复合板经爆炸复合后，应展开消解形变退火。99版容规对此也有明确的规定，但是对于爆炸复合奥氏体不锈钢板未做这样的规定。在现行的相关技术标准中对于爆炸加工后的奥氏体不锈钢板是否展开退火和怎样退火的问题表达的比较含混。GB8165-87《不锈钢复合钢板》规定为：根据供需双方协议，亦能热扎状态或退火状态交货。GB4733-94《压力容器用爆炸不锈钢复合钢板》规定：复合钢板需经退火、校平、剪边或切割供货。按需方要求，复合表面可经酸洗、钝化或抛光处置，亦可在退火状态下供货。这里没有提到如何展开退火。造成此种状况的主要就原因仍然是前述的奥氏体不锈钢造成晶间腐蚀的敏化地区问题。GB8547-87《钛-钢复合板》中规定钛-钢复合板消解形变退火的退火制度为：540℃ ± 25℃，隔热3小时。而这一大气压力恰好处于奥氏体不锈钢的敏化温区范围内（400℃--850℃）。因此，对于爆炸复合奥氏体不锈钢板的退火问题给出明确的规定是比较困难的。对此，我们的压力容器设计人员要有清醒的认识，给予充分的重视，并采取相应的措施。首先，复材的不锈钢不得选用1Cr18Ni9Ti，原因是与低碳奥氏体不锈钢 0Cr18Ni9 相比，其碳含量较高，更容易发生敏化，使其抗晶间腐蚀的能力上升。另外，当爆炸复合奥氏体不锈钢板制造的压力容器壳体与封头使用在较苛刻的条件时，如：压力较高，压力波动，盛装极度、高度危害的介质时，应当选用00Cr17Ni14Mo2这类超低碳奥氏体不锈钢可使敏化的可能性降为最低。并应明确提出复合板的退火要求，并与相关方面协商确定其退火制度，以达到基材具有一定的塑性贮备量，复材有合乎要求的耐腐蚀性能的目地。

3、能否用其他方式代替设备的总体退火由于受制造厂条件限制，及经济利益的考虑，许多人曾探索用其他方式代替压力容器的总体退火，虽然这些探索是有益和可贵的，但是目前还不能替代压力容器的总体退火。在目前有效的标准和规程中，还没有放宽对总体退火的要求。在各种代替总体退火的方案中比较典型的有：局部性退火，锤击法消解冲压残余形变，爆炸法消解冲压残余形变及振动法，热水浴法等。局部性退火：在GB150—1998《钢制压力容器》10.4.5.3中规定：B、C、D类冲压接点，球形封头与圆筒相连的A类冲压接点以及缺陷焊补部位，允许采用局部性退火方式。这条规定意味着筒体上的A类沟槽不允许采用局部性退火方式，即：整台设备不允许采用局部性退火方式，原因之一是冲压残余形变不能够对称消解。锤击法消解冲压残余形变：即通过人工锤击，在冲压接点的表面迭加一层压形变，从而部分抵消残余拉形变的不利促进作用。此种方式从原理上讲对防止形变腐蚀开裂是会有一定抑制促进作用的。但是由于在实践操作过程中没有量化指标和较严格的操作规程，加上对比使用的验证工作不够，而未被现行标准所采用。爆炸法消解冲压残余形变：是将炸药特制成胶带状，在设备的内壁粘在冲压接点表面上，其机理与锤击法消解冲压残余形变相同。据说此法能弥补锤击法消解冲压残余形变的一些不足之处，但是，有单位在两个条件相同的液化石油汽储罐上分别采用总体退火和爆炸法消解冲压残余形变展开对比试验，一年后开罐检查发现前者冲压接点完好如初，而经爆炸法消解冲压残余形变储罐的冲压接点则再次出现许多裂缝。这样，曾风行一时的爆炸法消解冲压残余形变方式也就无声无息了。还有一些其他的消解冲压残余形变的方式，由于种种原因都没有被压力容器行业所接受。总之，压力容器焊后总体退火（含炉内分段退火）虽然具有能耗大，周期长的不足，且在实际操作中因压力容器内部结构等因素面临种种困难，但它仍是目前压力容器行业中唯一被各方面都能接受的消解冲压残余形变的方式。