浅谈焊接热处理工艺对焊接质量的影响

浅谈焊接热处理工艺对焊接质量的影响

摘要：焊接质量的好坏，直接决定着机组是否能够持续安全稳定运行，而机

组的持续安全稳定运行直接决定着电厂的效益。所以焊接质量对电厂的效益起着

至关重要的作用，而焊接热处理直接决定着焊接质量是否能够达标。焊接热处理

工艺是指在焊接之前、焊接过程中或焊接之后，将焊件全部或局部加热、保温、

冷却，以改善工件的焊接工艺性能、焊接接头的金相组织和力学性能的一种工艺。焊接热处理工艺包括预热、后热及焊后热处理，这三个阶段的热处理工艺对保证

焊接质量起着至关重要的作用。T/P91钢是现役机组中最常用的钢种之一，属于

改进型的9%Cr高强度马氏体耐热钢，具有较高的抗氧化性能以及良好的冲击韧性。由于其综合性能优异，目前广泛应用于超临界、超超临界发电机组承压部件。

关键词：焊接质量热处理应力裂纹

目前，我国电力行业快速发展，各种新技术层出不穷，新能源领域蓬勃发展。但是，火电依然是我国电能供应的主力军，其地位举足轻重。随着各种新材料的

不断涌现，火电机组容量也在不断增大，过热蒸汽的压力和温度也相应增高，随

着这些亚临界、超临界和超超临界等大容量机组的逐渐投运，出现的问题也越来

越多。焊接质量的好坏，直接决定着机组是否能够持续安全稳定运行，而机组的

持续安全稳定运行直接决定着电厂的效益。所以焊接质量对电厂的效益起着至关

重要的作用，而焊接热处理直接决定着焊接质量是否能够达标。

一、热处理定义

焊接热处理工艺是指在焊接之前、焊接过程中或焊接之后，将焊件全部或局

部加热、保温、冷却，以改善工件的焊接工艺性能、焊接接头的金相组织和力学

性能的一种工艺。焊接热处理工艺包括预热、后热及焊后热处理，这三个阶段的

热处理工艺对保证焊接质量起着至关重要的作用。

二、焊前预热

焊前预热是指在焊件施焊前，将焊件全部或局部加热到一定温度的工艺。其

主要作用表现在三方面：

第一，焊前预热可降低焊接接头的冷却速度，有利于焊缝金属中扩散氢逸出，可避免出现氢致裂纹，

第二，预热可降低焊接应力，预热(局部预热或整体预热)可减小焊接区域与

焊件整体之间的温差值，此温差值越小，焊接区域与焊件结构间温度不均匀性也

越小，一方面降低了焊接应力，另一方面降低了焊接应变速率，有利于避免焊接

裂纹。

第三，预热可降低焊接结构的拘束度，对降低角接拘束度尤为明显，随着预

热温度的提高，出现裂纹的几率会随之下降。

三、焊后热处理

有冷裂纹倾向的焊件，当焊接工作停止后，若不能及时进行焊后热处理，应

进行后热，以避免因冷却速度过快而产生裂纹。对于马氏体型热强钢，应在马氏

体转变完成后，焊件处于80℃～120℃时保温1h～2h后进行。

焊后热处理的目的有三个，分别是消氢、消除焊接应力、改善焊缝组织。

焊后消氢处理，是指在焊接完成以后，焊缝温度尚未冷却到100℃以下时进

行的低温热处理。原理是将焊缝加热到一定温度可以加快焊缝及热影响区中氢的

逸出，防止低合金钢焊接时产生氢致裂纹。

在焊接过程中，由于加热和冷却的不均匀性，以及构件本身产生拘束或者外

加拘束，在焊接工作结束后，构件中会产生应力集中。应力集中在构件中的存在，会降低焊接接头区的实际承载能力，产生塑性变形，严重时，还会导致构件的破坏。焊后热处理是使工件在高温状态下屈服强度降低，从而达到消除应力的目的。常用的方法有两种，一种是整体高温回火，另一种是局部高温高温回火。整体高

温回火是将焊件整体放入加热炉内，缓慢加热到一定温度后保温一段时间，然后

在空气中或炉内冷却，可以消除80%～90%的焊接应力。局部高温回火是指只对焊

缝及其附近区域进行加热，然后缓慢冷却，最后使应力分布趋于平缓，起到消除部分焊接应力的目的。

一些合金钢材在焊接完毕后，其焊接接头处会出现淬硬组织，这种淬硬组织在焊接应力及游离氢的作用下极容易产生裂纹。焊后热处理可以使金相组织得到改善，提高焊接接头的塑韧性。

四、T/P91钢热处理特点

T/P91钢是现役机组中最常用的钢种之一，属于改进型的9%Cr高强度马氏体耐热钢，具有较高的抗氧化性能以及良好的冲击韧性。除固溶和沉淀强化外，还通过微合金化、控制轧制、形变热处理获得高密度位错和高度细化晶粒，使其具有优异的常温力学性能和良好的高温强度和抗蠕变性能。由于其综合性能优异，目前广泛应用于超临界、超超临界发电机组承压部件。

T/P91钢中，铁基基体中Cr、Mo元素的加入起到对基体的固溶强化作用，同时，通过Nb元素的加入和正火加回火的热处理工艺，在最终产品中得到具有碳化物M23C6和MX（M=V或Nb、Ta，X=C或N）型钒/铌碳氮化物等析出物的板条状回火马氏体组织。其中的析出物通过沉淀强化而改善材料的蠕变强度，同时，

M23C6碳化物还起到稳定马氏体组织板条结构的作用。

根据化学成分差异，T/P91钢加热期间开始形成奥氏体的相变温度（下转变温度）在800℃～830℃之间，完成奥氏体转变的温度（上转变温度）Ac3在890℃～940℃之间。在连续冷却过程中，马氏体转变开始温度在400℃左右，马氏体转变结束温度在100℃左右。以上转变温度，对于T/P91钢的焊接，包括焊前预热、焊后消应力热处理等具有极其重要的意义。

在T/P91钢种，通过Cr、Mo和Ni、Mn、Si这两类合金元素的配合，抑制了过冷奥氏体在较大的冷却速度范围内冷却过程中珠光体和贝氏体组织的产生，使T/P91钢在正火状态下，奥氏体组织全部转变为马氏体组织。在随后进行的750℃～780℃温度下回火过程中，马氏体组织中M23C6碳化物和MX型钒/铌碳氮化物均匀析出，提高了材料的蠕变性能，并降低了材料的硬度。在Ac1温度下，