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1、施工员焊接及热处理知识学习材料2006年10月第一部分 热处理n n热处理概念：热处理是将钢在固态下加热到预定的温度，保温一定的时间，然后以预定的方式冷却到室温的一种热加工工艺。n n焊后热处理（PWHT）概念可由此衍生。热加工工艺：n n根据钢在加热和冷却过程中的组织转变规律制定的钢在热处理时的具体加热、保温和冷却的工艺参数。 分为：普通热处理（退火、正火、淬火和回火） ，表面热处理（表面淬火和化学热处理等），特殊热处理（形变热处理、磁场热处理等）。 我们所用到的焊后热处理属于普通热处理 -回火（GB50236-98条文说明）。 回火又分为低温回火（150-250），中温回火（350-500
2、），高温回火（高温回火（500-650）（施工现场）。 说明一点：焊缝属于铸造组织，很容易产生残余应力，所以消除焊接残余应力就是PWHT的最主要目的。n n焊后热处理（PWHT）的目的：（1）松弛焊接残余应力（2）稳定结构的形状和尺寸，减少畸变（3）改善母材、焊接区的性能（4）提高抗应力腐蚀能力（5）进一步释放焊缝金属中的有害气体，特别是氢气，防止延迟裂纹的发生。n n其中第（3）条说改善性能主要包括：提高焊缝金属的塑性，降低热影响区的硬度，提高断裂韧性，改善疲劳强度，改善蠕变特性，恢复和提高冷成型中降低的屈服强度。 n n降低热影响区的硬度，这也就是我们采用硬度检测方法来检验热处理效果的理论
3、依据。 理论分析指出：应力的降低起因于 高温下的蠕变。 n n在碳刚中，蠕变从450时开始出现；在含钼的钢中，从550时开始出现（值得注意这两个温度值都处在常规PWHT的升温阶段，也就是说PWHT的消应力行为在升温阶段就开始了）。各种标准规范都规定了PWHT的升温速度就是基于此点考虑的，当然降温阶段同样进行着消应力行为）。 n n理论分析指出；在焊件的内应力中，是伴随着拉应力与压应力的，应力与弹性变形同时存在，当钢材的温度升高时，蠕变其屈服强度下降，原有的弹性应变会转化成塑性应变，从而使应力松弛（值得注意：此处提到屈服强度降低了，就是说PWHT是依靠高温下材料强度的降低来实现消除应力的）。 程
4、序控制文件规定： n n热处理工艺文件由热处理责任人员根据设计图样和用户要求、现场实际及装备情况进行编制。 热处理工艺文件至少要包括以下内容： 1 1）需热处理的材质及需热处理的材质及主要主要主要主要规格；规格；在确定材料焊接工在确定材料焊接工艺的同时得出了需要热处理的材质及规格，然后艺的同时得出了需要热处理的材质及规格，然后依据图纸统计工作量。依据图纸统计工作量。2 2）热处理的种类；热处理的种类；按照焊接工艺评定执行。我认为按照焊接工艺评定执行。我认为这个种类不是指我前面的分类，而是预热、后热、这个种类不是指我前面的分类，而是预热、后热、焊后热处理（焊后热处理（PWHTPWHT）或者是消应
5、力热处理、）或者是消应力热处理、稳稳稳稳定化热处理（后面讲）定化热处理（后面讲）定化热处理（后面讲）定化热处理（后面讲）。3 3）热处理的方法及所用设备和温度检测仪表；热处理的方法及所用设备和温度检测仪表；电加电加热、绳式加热器、热电偶。热、绳式加热器、热电偶。4 4）热处理的加热速度、恒温温度、恒温时间和冷却速度；热处理的加热速度、恒温温度、恒温时间和冷却速度； 恒温温度可以按照工艺评定给出的数据执行也可以按照恒温温度可以按照工艺评定给出的数据执行也可以按照规范要求确定，恒温时间、升降温速度按规范确定。规范要求确定，恒温时间、升降温速度按规范确定。 GB50236-98GB50236-98规
6、定：规定：n n升温速度，当温度升至升温速度，当温度升至400400以上时，加热速率不应大于以上时，加热速率不应大于（205*25/205*25/）/h/h，且不得大于，且不得大于330330/h/h；n n恒温时间，焊后热处理的恒温时间应为每恒温时间，焊后热处理的恒温时间应为每25mm25mm壁厚恒温壁厚恒温1h1h，且不得少于，且不得少于15min15min，在恒温期间内最高与最低温差应，在恒温期间内最高与最低温差应低于低于6565；n n冷却速度，恒温后的冷却速率不应大于（冷却速度，恒温后的冷却速率不应大于（60*25/60*25/）/h/h，且不得大于，且不得大于260260/h/h，
7、400400以下可自然冷却；以下可自然冷却；n n恒温温度，列了一个表。恒温温度，列了一个表。SH3501-2002中规定：n na)a)加热升温至加热升温至300300后，加热速度应按后，加热速度应按5125/5125/h/h计算，且不大于计算，且不大于220220/h/h；n nb)b)恒温时间应按下列规定计算，且总恒温时间均恒温时间应按下列规定计算，且总恒温时间均不得少于不得少于30min30min。在恒温期间内，各测点的温度。在恒温期间内，各测点的温度均应在热处理温度规定的范围内，其差值不得大均应在热处理温度规定的范围内，其差值不得大于于5050：n n1 1）非合金钢为每毫米壁厚）非
8、合金钢为每毫米壁厚2.min25vmin2.min25vmin；2 2）合）合金钢为每毫米壁厚金钢为每毫米壁厚3min3min；n nc)c)恒温后的冷却速度应按恒温后的冷却速度应按6500/6500/h/h计算，且不计算，且不大于大于260260/h/h。冷至。冷至300300后可自然冷却。后可自然冷却。5 5）热电偶的安装数量、位置及固定方法；）热电偶的安装数量、位置及固定方法；L加热器保温区进行局部热处理时，加热宽度L不得小于5 ，R代表管子半径，T 代表管壁厚度，任何情况下都不得小于100MM。热处理时DN12焊缝应至少安放一支测温热电偶，1224焊缝对称安放2支热电偶，24焊缝应对称
9、安放4支热电偶。热电偶应在检定有效期内。6）热处理的安全防护；n n焊前预热时，需对所有预热用电缆接头进行检焊前预热时，需对所有预热用电缆接头进行检查，确认绝缘良好后方可通电加温。施焊过程查，确认绝缘良好后方可通电加温。施焊过程中，应确保加热器的所有接头均远离作业人员中，应确保加热器的所有接头均远离作业人员或用保温棉进行有效隔离。或用保温棉进行有效隔离。n n进行消应力热处理时，应在热处理区周围设置进行消应力热处理时，应在热处理区周围设置警戒标志，以防触电或烫伤。警戒标志，以防触电或烫伤。 夜夜间间进进行行热热处处理理作作业业时时，应应在在保保温温区区上上方方搭搭设设防防雨雨棚棚，以以防防突突
10、然然下下雨雨导导致致热热处处理理过过程程中中断断影影响响消消应应力力效效果果。热热处处理理时时电电阻阻丝丝应应尽尽量量用用新新的的，以防热处理过程中烧毁。以防热处理过程中烧毁。 7）热处理的检验要求n nGB50235-97中规定：n n对要求热处理的焊缝，热处理后应测量焊缝及热影响区的硬度值，其硬度值应符合设计文件规定。当设计文件无明确规定时，碳素钢不宜大于母材硬度值的120%；合金钢不宜大于母材硬度值的125%。检验数量不应少于热处理焊口总数的10%。(GB50236-98中有相同的规定)SH3501-2002中规定：n n焊接接头热处理后，首先应确认热处理自动记录曲线，然后在焊缝及热影响
11、区各取一点测定硬度值。抽检数量不得少于20%，且不少于一处。n n热处理后焊缝的硬度值，不宜超过母材标准布氏硬度值加100HB，且应符合下列规定：n na)合金总含量小于3，不大于270HB；n n b）合金总含量310，不大于300HB； n nc）合金含量大于10%，不大于350HB。GB50236-98GB50236-98第第1111章，第章，第11.311.3节，第节，第11.3.1111.3.11款，第款，第11.3.11.111.3.11.1条规定：条规定：焊缝焊后热处理应在焊缝外观检查及规定的无损检焊缝焊后热处理应在焊缝外观检查及规定的无损检验合格后进行。验合格后进行。程序控制文
12、件规定：程序控制文件规定： 热处理前应对焊缝进行确认，确认项目至少包括：热处理前应对焊缝进行确认，确认项目至少包括：a)a)焊接工作以完成；焊接工作以完成；b)b)焊缝外观符合质量标准；焊缝外观符合质量标准；c)c)其他要求检验项目以检验合格，并取得检验合格其他要求检验项目以检验合格，并取得检验合格通知；通知；d)d)除铬钼耐热钢以外焊缝经无损检验已合除铬钼耐热钢以外焊缝经无损检验已合格，并已取得检验合格通知单。格，并已取得检验合格通知单。n n为了省略PWHT，以往经常采用高铬、镍的奥氏体焊材，这样的焊缝，会产生铬的碳化物层和母材的脱碳现象。高温下使用时，会因热膨胀的差异（二者热膨胀系数不同
13、）而导致失效。另外，用奥氏体钢焊材焊接低碳钢会产生很高的残余应力。n n当热处理已达到保温温度时过程中断（断电），应进行重新加热，待再次达到保温温度后，前后保温时间要累计。n n对于阀门等在热处理过程中可采用围绕阀体加铜制盘管通水的方法对阀体进行保护，以免在热处理过程中损坏阀门的密封装置。 n n预热：主要目的是为了降低钢材的淬硬程度，延缓焊缝的冷却速度，以利于氢的逸出和改善应力条件，通常会降低热影响区的硬度，防止产生淬硬组织，从而降低接头的延迟裂纹倾向。n n后热(低温后热150-250;消氢处理300-400)降低焊缝区的硬度，排除焊缝区内氢等有害气体。使焊缝区冷却速度降低，促进氢的逸出，
14、避免出现硬度升值。需在焊缝区处在较高的温度时进行方才有效。 n n晶间腐蚀：即奥氏体不锈钢焊接接头处在即奥氏体不锈钢焊接接头处在450450850850敏化温度区间内，焊接的快速连续敏化温度区间内，焊接的快速连续加热过程使金属晶粒内部过饱和固溶的碳原子加热过程使金属晶粒内部过饱和固溶的碳原子会逐步向晶粒边缘扩散，与晶粒边缘层的铬原会逐步向晶粒边缘扩散，与晶粒边缘层的铬原子结合而成碳化物（子结合而成碳化物（Gr.FeGr.Fe）23C6,23C6,并沿晶界沉淀并沿晶界沉淀淅出。由于铬原子的扩散速率要比碳原子的扩淅出。由于铬原子的扩散速率要比碳原子的扩散慢的多，来不及补充形成碳化物所消耗的铬，散慢
15、的多，来不及补充形成碳化物所消耗的铬，于是晶粒边缘贫铬而丧失了耐腐蚀性能，在渣于是晶粒边缘贫铬而丧失了耐腐蚀性能，在渣油类介质工作的情况下，将产生晶间腐蚀。油类介质工作的情况下，将产生晶间腐蚀。n n焊缝上的晶间腐蚀通常在多层多道焊的情况下焊缝上的晶间腐蚀通常在多层多道焊的情况下出现，前一焊道金属受到后道焊接的热影响而出现，前一焊道金属受到后道焊接的热影响而处于敏化温度的区间，出现贫铬的区域，增加处于敏化温度的区间，出现贫铬的区域，增加了在腐蚀介质中产生晶间腐蚀的可能性。了在腐蚀介质中产生晶间腐蚀的可能性。稳定化热处理的目的：使Gr23C6溶解n n工艺参数：工艺参数： 在在0 0400400
16、范围内，以范围内，以 120120/h/h的速度，进的速度，进 行应力消除；在行应力消除；在4004009001090010范围内，随范围内，随 施工现场情况，提高升温速度，尽量减少升温施工现场情况，提高升温速度，尽量减少升温 时间，以减少焊缝在敏化温度区间停留的时时间，以减少焊缝在敏化温度区间停留的时 间；在间；在9001090010温度范围内，恒温温度范围内，恒温2h2h，并，并 随管道壁厚的增加而增加，增加数量为随管道壁厚的增加而增加，增加数量为4.74.7分钟分钟/mm/mm；恒；恒温结束后，即刻进行空气冷却。（海南炼化）温结束后，即刻进行空气冷却。（海南炼化）说明：说明：稳定化热处理
17、的同时也在进行着消应力行为。稳定化热处理的同时也在进行着消应力行为。第二部分：焊接质量控制控制内容及措施n n焊接：通过对工件加热或加压，或同时加热加压，焊接：通过对工件加热或加压，或同时加热加压，填充或不填充焊接材料使工件达到永久性连接填充或不填充焊接材料使工件达到永久性连接（原子或分子之间的结合和扩散）的一种连接成（原子或分子之间的结合和扩散）的一种连接成型方法。型方法。 包括熔焊（电弧焊、气焊、激光焊等）、压焊包括熔焊（电弧焊、气焊、激光焊等）、压焊（锻焊（锻焊- -兵器、电阻焊、爆炸焊等）、兵器、电阻焊、爆炸焊等）、钎焊（火钎焊（火焰钎焊焰钎焊-铜、感应钎焊等）。我们用的是熔焊铜、感应
18、钎焊等）。我们用的是熔焊中中 的电弧焊和气焊，其中电弧焊有焊条电弧焊、手的电弧焊和气焊，其中电弧焊有焊条电弧焊、手 工钨极氩弧焊、工钨极氩弧焊、CO2CO2半自动气体保护焊（长输）。半自动气体保护焊（长输）。 焊接质量的优劣，主要由接头设计、材质、焊接工艺和焊焊接质量的优劣，主要由接头设计、材质、焊接工艺和焊接检验四个方面决定，即所谓焊接质量控制的四要素。接检验四个方面决定，即所谓焊接质量控制的四要素。相互关联，相互制约n n接头设计因素的控制 主要表现在接头型式和焊缝布置的合理性上。焊接结构的破坏大多起源于接头区的裂纹，它与接头形式的合理性有关。不合理易造成应力集中，或使工件易变形。n n在
19、施工过程中，管对接、角接坡口都是按照焊接工艺指导书规定的坡口形式进行焊接作业的，有焊接工艺评定试验为依据。而管支吊架的焊接往往被忽视，它是宏观力的承受者，应当予以重视，严格按照管支吊架标准图制作、安装、焊接是必要的。材质因素控制包括母材和焊材（焊丝、条、钨极、气体）n n 母材的控制母材的控制 母材对焊接质量的影响主要体现在金属材料母材对焊接质量的影响主要体现在金属材料的焊接性上。焊接工程师在进行焊接工艺评定时，在制定的焊接性上。焊接工程师在进行焊接工艺评定时，在制定焊接工艺评定工艺指导书之前，要对材料的焊接性进行评焊接工艺评定工艺指导书之前，要对材料的焊接性进行评估。可通过碳当量、冷裂纹敏感
20、指数的计算进行间接评估。估。可通过碳当量、冷裂纹敏感指数的计算进行间接评估。另外，最可靠的评估方法是通过一系列的焊接裂纹试验，另外，最可靠的评估方法是通过一系列的焊接裂纹试验，最高硬度试验对材料的焊接性进行直接评估。（也常用）最高硬度试验对材料的焊接性进行直接评估。（也常用）n n无论是直接还是间接评估，都应该由具备一定的焊接专业无论是直接还是间接评估，都应该由具备一定的焊接专业知识和实践经验的人来完成。施工员能做到的，就是发现知识和实践经验的人来完成。施工员能做到的，就是发现母材显性的缺陷（层皮、褶皱、裂纹等），供应往往漏掉，母材显性的缺陷（层皮、褶皱、裂纹等），供应往往漏掉，及时提出退货。
21、及时提出退货。n n2 2 焊材的控制焊材的控制 焊材对焊接质量的影响主要体现焊材对焊接质量的影响主要体现在焊接材料的选择上。理论上选材要遵循一系列在焊接材料的选择上。理论上选材要遵循一系列的要求。施工员可根据相应的标准规范和公司已的要求。施工员可根据相应的标准规范和公司已有的焊接工艺评定进行选择。有的焊接工艺评定进行选择。n n说明一点，规范中都有规定，同类同组的材料的说明一点，规范中都有规定，同类同组的材料的评定可相互代用。我建议，一般不要替代，有时评定可相互代用。我建议，一般不要替代，有时侯代用评定的焊材不是最佳的选择侯代用评定的焊材不是最佳的选择. .可以把规范和可以把规范和评定结合起
22、来选择。评定结合起来选择。工艺因素的控制工艺因素的控制焊接工艺中，对焊接质量影响较大的有焊前准备、焊接工艺中，对焊接质量影响较大的有焊前准备、焊接顺序和焊接工艺参数。焊接顺序和焊接工艺参数。n n1 1 焊前准备的控制焊前准备的控制 1 1）坡口的制备）坡口的制备 碳钢可采用火焰切割加工；合金碳钢可采用火焰切割加工；合金碳钢可采用火焰切割加工；合金碳钢可采用火焰切割加工；合金钢原则采用机械方法加工坡口，因条件所限无法钢原则采用机械方法加工坡口，因条件所限无法钢原则采用机械方法加工坡口，因条件所限无法钢原则采用机械方法加工坡口，因条件所限无法采用机械加工时，也可采用等离子焰切割或火焰采用机械加工
23、时，也可采用等离子焰切割或火焰采用机械加工时，也可采用等离子焰切割或火焰采用机械加工时，也可采用等离子焰切割或火焰的方法进行加工，坡口打磨时将切割的热影响区的方法进行加工，坡口打磨时将切割的热影响区的方法进行加工，坡口打磨时将切割的热影响区的方法进行加工，坡口打磨时将切割的热影响区打磨掉，并修整出所要求的坡口。打磨掉，并修整出所要求的坡口。打磨掉，并修整出所要求的坡口。打磨掉，并修整出所要求的坡口。 2 2） 接头的装配（组对）接头的装配（组对） 焊口组对应使内壁齐，焊口组对应使内壁齐，焊口组对应使内壁齐，焊口组对应使内壁齐，内壁错边量不超过壁厚的内壁错边量不超过壁厚的内壁错边量不超过壁厚的内
24、壁错边量不超过壁厚的10%10%，且不大于，且不大于，且不大于，且不大于0.5mm0.5mm； 3 3） 焊前清理焊前清理 组对前用角向磨光机、棒式砂轮组对前用角向磨光机、棒式砂轮组对前用角向磨光机、棒式砂轮组对前用角向磨光机、棒式砂轮机、钢锉等将坡口及内外两侧不小于机、钢锉等将坡口及内外两侧不小于机、钢锉等将坡口及内外两侧不小于机、钢锉等将坡口及内外两侧不小于10mm10mm范围范围范围范围内的母材表面清理干净，直到露出金属光泽。内的母材表面清理干净，直到露出金属光泽。内的母材表面清理干净，直到露出金属光泽。内的母材表面清理干净，直到露出金属光泽。n n 套词，方案都这样写。应注意的是焊前清
25、套词，方案都这样写。应注意的是焊前清理很重要，油漆内含有多种化学元素、化理很重要，油漆内含有多种化学元素、化合物，一旦进入焊接区受热将分解成多种合物，一旦进入焊接区受热将分解成多种有害气体和合金元素，使焊缝产生气孔和有害气体和合金元素，使焊缝产生气孔和裂纹。裂纹。n n2焊接顺序的控制 应尽量使焊缝处于比较自由地收缩状态。3 3 焊接工艺参数的控制焊接工艺参数的控制 包括工艺参数、预热温度、后热、焊后热处理等。包括工艺参数、预热温度、后热、焊后热处理等。n n1 1） 线能量：单位长度上的热量，线能量：单位长度上的热量，E=UI/vE=UI/v（电（电流（流（I I）是主要因素，决定线能量的大
26、小）。对某）是主要因素，决定线能量的大小）。对某些低合金钢与不锈钢的焊接质量影响很大。焊接些低合金钢与不锈钢的焊接质量影响很大。焊接低合金钢时，线能量过大，会降低接头的韧性和低合金钢时，线能量过大，会降低接头的韧性和强度；焊接不锈钢时，过高强度；焊接不锈钢时，过高-晶间腐蚀。晶间腐蚀。 控制线能量的方法：围绕三个参数，主要是小控制线能量的方法：围绕三个参数，主要是小电流，短弧焊（控制电弧电压）多层多道焊、减电流，短弧焊（控制电弧电压）多层多道焊、减小摆动幅度等。小摆动幅度等。n n 2 2）电弧电压（）电弧电压（U U） 过高易产生气孔和未焊透等过高易产生气孔和未焊透等缺陷。缺陷。n n3 3
27、）焊接速度（）焊接速度（v v） 快了：成型不良、未焊透、快了：成型不良、未焊透、夹渣、咬边；慢了：烧穿。夹渣、咬边；慢了：烧穿。检验因素的控制n n控制焊接质量的重要手段。依据设计及规范要求灵活选用。n n提一点：GB50236-98中规定：设计文件规定焊缝系数为1的焊缝或规定进行100%射线照相检验或超声波检验的焊缝，其质量不应低于本规范表11.3.2中的级。n n焊缝系数：焊缝强度与母材强度之比值。焊缝系数：焊缝强度与母材强度之比值。焊缝返修 n nGB50236-98GB50236-98中要求返修前进行质量分析，同一部中要求返修前进行质量分析，同一部位超过两次时，制定返修措施并经焊接技
28、术负责位超过两次时，制定返修措施并经焊接技术负责人审批。人审批。n nSH3501-2002SH3501-2002中要求同一部位的返修次数，非合中要求同一部位的返修次数，非合金钢管道不得超过金钢管道不得超过3 3次，其余次，其余2 2次。次。n nJB4708-2000JB4708-2000中要求同一部位的返修不宜超过两中要求同一部位的返修不宜超过两次。次。n nSH3520-XXXXSH3520-XXXX中要求同一部位的返修不宜超过两中要求同一部位的返修不宜超过两次，同一部位超过两次时，制定返修措施并经施次，同一部位超过两次时，制定返修措施并经施工单位技术负责人审批。工单位技术负责人审批。从管理角度出发。 n 祝愿大家成为优秀的工程技术管理者!
