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    固態高頻焊管焊后熱處理研究現狀

    來源:至德鋼業 日期:2021-06-18 11:40:59 人氣:142

    高頻焊管的質量指標包括兩個方面:表面質量和焊縫質量。前者表現為管材的幾何尺寸精度、表面擦傷程度和毛刺清理狀態等,它同原始坯料、成型工藝和精整工藝有關;后者則表現在焊縫的機械性能、組織及化學成分等,它同焊接熱輸入、擠壓力及焊縫的熱處理有關,而且比前者更加難以控制。

    焊后熱處理是現代鋼管生產中極重要的領域,是進一步擴大焊管應用范圍的重要手段。隨著高頻焊管制造技術的發展,日前主要采用以下3種熱處理方式:焊管整體熱處理、焊縫在線熱處理和焊管形變熱處理。

    1)整體式熱處理

    該類熱處理一般為正火或退火。將焊管整體加熱至正火或退火溫度,使所有組織完全奧氏體化后空冷。這樣可基本消除管體與焊縫之間的金相組織差異,且徹底消除焊管由于成型和焊接等產生的內應力,但基體晶粒會有部分長大,焊縫與基體的晶粒度仍存在差異,將帶來在力學性能和耐腐蝕方面的不足。

    焊管整體熱處理離線方式一般采用保護氣氛爐加熱焊管,而在線方式一般采用多組中頻感應線圈分段加熱,生產效率很低,成本高,因此目前應用很少。

    2)焊縫熱處理

    焊縫在線熱處理為感應熱處理,包括正火、淬火+回火等。焊縫感應熱處理只對焊縫及熱影響區加熱,如圖1-7所示,比焊管整體加熱更環保、更有效率。

    目前焊縫熱處理中應用最多的還是正火處理。正火溫度在Ac3以上30~50℃,保溫一定時間后冷卻到室溫。為了減少空冷輥道的長度并提高冷卻效率,在線正火熱處理一般采用空冷和水冷相結合的方法??绽湫璧却龏W氏體轉變為鐵素體和珠光體后方能終止,水冷起始溫度影響焊縫韌性。從圖1-8可以看出,高頻焊管焊縫正火熱處理水冷起始溫度須低于500℃(碳當量越高,此溫度越低),才能使焊縫獲得良好的韌性。

    對于合金鋼,隨著客戶對焊管質量要求的提高,目前很多高頻焊管生產廠家會采用兩次熱處理方式,即淬火+回火調質處理。將焊縫加熱至奧氏體化溫度后立即對焊縫進行噴水淬火,可以得到極細的馬氏體組織,之后在540~700℃進行高溫回火處理,可以得到比正火組織強度更高、塑性和韌性更好的回火組織。目前國內外諸如寶鋼、日本的新日鐵、美國LONG-STAR等多家高頻焊管機組都利用淬火+回火工藝生產高鋼級的油氣輸送管和抗腐蝕油井管等產品。

    但是感應加熱使得焊縫與基體之間出現了新的熱影響區,在某種程度上,單純對焊縫進行熱處理加劇了高頻焊管的不均勻性。

    對于焊管的在線/整體熱處理,袁大偉指出,在熱處理對焊管焊縫沖擊韌性的影響因素中,加熱溫度比加熱時間更為重要,溫度過高會使沖擊韌性下降,此外雖然升溫速率慢有助于降低管壁內外溫度和組織差別,但升溫速率過低可能引起晶粒粗大使韌性降低。

    Olabi等研究了AlSl1020鋼焊后熱處理工藝參數對硬度、強度和韌性影響,實驗結果表明,較高的熱處理溫度、較長的熱處理時間和較低的冷卻速率有助于降低硬度同時提高強度,較長的熱處理時間和較低的冷卻速率可以提高韌性,而升溫速率對硬度、強度和韌性幾乎無影響。

    Chung等進行了X65鋼和相應級別的細晶粒鋼焊后正火和淬回火熱模擬實驗,結果表明,兩種鋼在正火和淬回火后顯微組織大致相同,但硬度和夏比實驗表明細晶粒焊管硬度和韌性要高于普通X65鋼,原因是其尺寸更小的晶粒。

    Yan等對管線鋼X65鋼焊后感應熱處理進行了研究,結果表明,盡管熱處理后的組織較均勻,且沒有脫碳和殘余奧氏體存在,但其韌性仍不滿足要求,這種低韌性很大程度與晶粒取向有關,焊后熱處理可以減輕不利織構的強度,但不能消除。

    Han等利用有限元方法研究了焊縫中頻感應熱處理時的溫度場分布,結果表明,在最優參數下感應加熱后焊縫區形成了倒三角形的溫度場,焊縫靠近外表面的溫度要比靠近內表面的溫度高;溫度場加熱效率和溫度分布均勻度與電流的頻率和密度成正比,與管和線圈距離成反比。

    3)形變熱處理

    “形變熱處理”的本質是通過對高頻焊管管材進行重新加熱和高溫變形,促使高頻焊接接頭化學成分、內部位錯等重新排布,以使焊縫和基體達到“等韌配合”的程度。日本有廠家在普通正火處理后,利用被加熱區域的高溫軟化,使用“URUpsetting and Rolling)法”使焊縫區域產生一定的壓縮變形,然后空冷,以此提高焊縫韌性。2000年在日本大阪召開的汽車及電氣應用管材和管制品國際會議上,日本川崎鋼鐵提出一種高速焊接及最優減徑(減壁)技術(High Speed Tube Welding and Optimum Reducing Technology,HISTORY),其實質是對高頻焊管進行的深度熱塑性加工,也是控軋技術(TMCP)在鋼管制造領域的延伸,HISTORY管比ERW管具有更好的彎曲性能,因而更適合用于汽車行業。

    國內曾有學者對板材焊縫進行過隨焊沖擊和碾壓形變熱處理研究。隨焊沖擊法是為了解決大面積高強鋁合金薄壁板的對接焊時易產生較大的焊接變形問題而開發的新工藝方法,而碾壓形變熱處理可用于連續管坯料焊縫的處理,二者的作用機理均是通過焊縫及其兩側金屬的縱向向前及橫向強制變形來達到控制焊縫熱裂和降低殘余應力及應變的目的。顯然,這兩種工藝均適用于板材焊縫的處理,且熱處理結果并未涉及焊縫組織結構的優化。

    在焊管方面,國內對焊管張力減徑關注最多。焊管熱張減軋制是將焊管整體加熱至奧氏體化溫度后,通過張力減徑機進行多架次大變形量的軋制,使焊管內部形成微細均勻的晶粒組織。該工藝通過將焊縫與基體同時進行熱變形,在同等條件下使二者完成回復再結晶過程,可使焊縫區金相組織和晶粒度與基體趨同,同時也將徹底消除由于焊接成形所帶來的內應力0。在利用HFW+熱張力減徑實現油套管焊管無縫化方面,寶雞石油鋼管做了很多工作。畢宗岳等4研究了熱張力減徑對C-Mn高頻焊管焊縫區組織和晶粒狀態的影響,結果表明,焊縫區的組織和晶粒狀態與母材一致,經過熱張力減徑后的焊縫力學性能和抗溝槽腐蝕性得到顯著改善。王軍、何石磊、竇茂科等也得出了相似的結論。

    但是張力減徑工藝最突出的缺點就是設備投資較大,對于中小口徑高頻焊管,張力減徑生產線和設備投資會極大抵消高頻焊管相對于無縫管成本較低的優勢。另外,熱張力減徑工藝缺少芯棒對管材內表面的平整,因而不適于汽車穩定桿這類對橢圓度精度要求較高的焊管的熱變形。對于中小口徑高頻焊管,有必要提出一種新的工藝路線來實現無縫化。

    需要說明的是,本文的“無縫化“鋼管是相對于焊管而言,與“無縫鋼管”的概念有本質區別:焊管的無縫化包含了外觀和組織與性能兩個水平,前者體現為焊管焊縫的外觀與基體外觀的一致性,后者體現為焊接接頭的組織、性能與基體的致性。本文的研究側重于強調后者,即焊管組織和性能的無縫化。

    本文標簽:高頻焊管 

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