專利名稱：使用焊后熱處理改善縫焊接頭性能的方法
使用焊后熱處理改善縫焊接頭性能的方法
背景技術(shù)：
本發(fā)明涉及焊后熱處理及方法。更特別地，本發(fā)明針對(duì)于以降低 的焊區(qū)硬度和改善的焊區(qū)延展性及韌性來(lái)改良可淬硬的鐵合金上焊縫 的機(jī)械性能的方法。
在所有現(xiàn)代工業(yè)中普遍使用的焊接的鐵合金已成為結(jié)構(gòu)部件設(shè)計(jì) 中的實(shí)際標(biāo)準(zhǔn)。許多領(lǐng)域中的當(dāng)前趨勢(shì)將集中的注意力從低強(qiáng)度普通 低碳鋼轉(zhuǎn)向高強(qiáng)度鋼和超高強(qiáng)度鋼。配置這些合金以具有高于低碳鋼 的拉伸強(qiáng)度，這是因?yàn)闊釞C(jī)械處理期間產(chǎn)生的特定顯微組織。目前用 于汽車(chē)工業(yè)的高強(qiáng)度鋼的一些例子包括雙相鋼、馬氏體鋼、硼處理的
鋼和相變感生塑性鋼。其它高強(qiáng)度合金包括可用空氣、油和水淬硬的 碳鋼和馬氏體不銹鋼。將所有這些鋼設(shè)計(jì)成使得在材料的顯微組織中 形成若干體積百分?jǐn)?shù)的馬氏體。在淬硬條件下形成的所得畸變的體心
立方(BCC)或體心四方(BCT)馬氏體晶體組織對(duì)該金屬賦予高強(qiáng)度。這 些材料理想地適合于結(jié)構(gòu)部件和組件，滿足高的強(qiáng)度和韌性的要求。
遺憾的是，這些和其它超高強(qiáng)度合金形成馬氏體的傾向和相對(duì)高 的可淬硬性在焊接中造成困難。焊接期間在受限制的熱影響區(qū)(HAZ) 中發(fā)生的加熱和快速冷卻的熱循環(huán)等效于快速淬火循環(huán)。高強(qiáng)度鋼等 級(jí)的化學(xué)組成在高溫度下導(dǎo)致從鐵素體到奧氏體(Y)的完全轉(zhuǎn)變，接 著經(jīng)快速冷卻隨后變?yōu)橛驳鸟R氏體相。在縫焊用途中，自然焊縫冷卻 速率可高至1000°C/s，其足夠快從而在大多數(shù)高強(qiáng)度、高碳合金中產(chǎn) 生馬氏體組織(見(jiàn)

圖1和2)。產(chǎn)生的制得馬氏體組織在未回火狀態(tài) 下極其脆?？梢蛞韵聨追N原因發(fā)生焊區(qū)開(kāi)裂，包括
■氫致冷開(kāi)裂，這是歸因于畸變的BCC馬氏體晶體結(jié)構(gòu)中捕獲的 氬。施加到焊縫的拉伸應(yīng)力提高了開(kāi)裂的風(fēng)險(xiǎn)。
■熱致應(yīng)力，這是歸因于焊接期間的熱輸入、接頭約束的程度和馬氏體轉(zhuǎn)變時(shí)的體積變化。
大多數(shù)形式的開(kāi)裂產(chǎn)生于焊縫金屬冷卻至環(huán)境溫度時(shí)發(fā)生的收縮 應(yīng)變。如果收縮受到限制，則應(yīng)變將誘發(fā)導(dǎo)致開(kāi)裂的殘余拉伸應(yīng)力。
存在兩種相反的力金屬收縮引起的應(yīng)力，和基礎(chǔ)材料的周?chē)鷦傂砸?起的應(yīng)力。大的焊縫尺寸、高的熱輸入和深的穿透焊接操作提高了收 縮應(yīng)變。當(dāng)涉及較高強(qiáng)度的填料金屬和基礎(chǔ)材料時(shí)，這些應(yīng)變引起的 應(yīng)力將增加。對(duì)于較高的屈服強(qiáng)度，可存在較高的殘余應(yīng)力。
當(dāng)焊接某些鋼時(shí)發(fā)生這些問(wèn)題，而與它們的預(yù)先狀態(tài)，是否經(jīng)退 火、淬硬或者淬硬且回火無(wú)關(guān)。它們可伴隨所有類型的焊接而發(fā)生， 所述焊接包括GTAW、 GMAW、 SAW、 PAW、激光束焊、摩擦焊、電阻焊和 電子束焊。在所有情形中，熔合區(qū)和高溫HAZ在焊接后將處于"經(jīng)淬 火"狀態(tài)。焊接后的任何機(jī)械應(yīng)變(在二次制造過(guò)程中或者在使用中) 可導(dǎo)致馬氏體HAZ開(kāi)裂。
另外，許多組件一旦由這些合金進(jìn)行焊接和制造，則不可對(duì)其進(jìn) 行最終均質(zhì)化固溶熱處理循環(huán)。例子包括由預(yù)淬硬或特殊熱機(jī)械處理 的基礎(chǔ)金屬例如雙相鋼制造的組件，由此熱循環(huán)將破壞合金的獨(dú)特顯 微組織。此外，如焊接到厚重車(chē)體的汽車(chē)結(jié)構(gòu)梁的情形，將整個(gè)焊接 組件放置到爐子中來(lái)進(jìn)行焊后應(yīng)力消除可能實(shí)際上(physically)是不 可行的。 一些組件不可耐受整個(gè)結(jié)構(gòu)的焊后熱處理，對(duì)于具有熱塑性 內(nèi)部部件的焊接的汽車(chē)燃料箱組件即為這種情形。在任何情形中，如 果可降低焊接狀態(tài)的脆性，則可獲得顯著的益處。在焊接的構(gòu)件不進(jìn) 行任何另外熱處理而投入使用的情形中，最終悍縫的延展性和韌性將 得到極大改善。
控制焊縫和HAZ硬度的典型方法包括離線二次焊后熱處理 (PWHT)，例如通過(guò)加熱整個(gè)零件將焊縫中間退火和回火?？墒褂妙A(yù)加 熱方法來(lái)減緩冷卻速率，從而降低存在的馬氏體相的百分?jǐn)?shù)。工件中 的潛熱降低焊縫的冷卻速率，開(kāi)裂因此受到抑制。在過(guò)去，可在大的 分批(batch )熱處理爐中進(jìn)行焊前和焊后熱處理以緩變(ramp)和保持 部件組處于合適的熱處理溫度。使用分批熱處理方法的缺陷包括長(zhǎng)的處理時(shí)間，這部分地是由于大的分批式爐子的規(guī)模(mas s)和進(jìn)行熱處 理的部件的規(guī)模。另外，在隨著將個(gè)體部件焊接而將各批次進(jìn)行組配 時(shí)出現(xiàn)長(zhǎng)的排隊(duì)時(shí)間。標(biāo)準(zhǔn)的焊后熱處理例如應(yīng)力消除或回火涉及在 規(guī)定溫度下保持約幾個(gè)小時(shí)的相對(duì)長(zhǎng)時(shí)間，伴隨有緩慢的爐冷。使事 情更復(fù)雜的是，整體的焊前或焊后熱處理可破壞基礎(chǔ)金屬的所需顯微 組織。例如，除了以最佳的加熱時(shí)間和淬火速率外，如果對(duì)整個(gè)零件 進(jìn)行熱處理，由雙相鋼或馬氏體鋼制造的零件可遭受機(jī)械性能的全部 喪失。
在制造車(chē)間中公知的是，當(dāng)對(duì)可淬硬的鋼例如鉻鉬合金鋼 (chromoly)進(jìn)行加工時(shí)，用氧乙炔焊炬再加熱焊縫以使焊縫再奧氏 體化并且允許接頭在靜態(tài)空氣中緩慢冷卻。焊接接頭和周?chē)饘俦Ａ?的熱有效地減緩再加熱后焊縫的冷卻速率，從而降低脆性，使接頭處 于較溫和的正火狀態(tài)。然而，該方法是易變的、緩慢的、逐段的并且 結(jié)果高度依賴于制造者的技術(shù)水平。作為替代的方法例如題為 Heat—Treating Method and Product的美國(guó)專利No. 3， 046， 167中描 述的那些，提供了用焰炬將焊縫再奧氏體化并接著緩慢冷卻。在題為 Postweld Heat Treatment Process of Carbon Steel and Low Alloy Steel的美國(guó)專利No. 6, 676, 777中描述了類似方法，其規(guī)定將焊縫再 加熱至奧氏體區(qū)并且保持若干時(shí)間，接著進(jìn)行"比空氣慢"的冷卻。 所有這些方法依賴于將焊縫加熱到高于上臨界溫度并且緩慢冷卻來(lái)產(chǎn) 生所需的顯微組織。
通常向苛刻使用的工業(yè)產(chǎn)品和油田管道焊接接頭施加常規(guī)的受控 "局部"焊后應(yīng)力消除。通過(guò)由圍繞接頭周?chē)母袘?yīng)或電阻加熱線圏 構(gòu)成的加熱"毯(blanket)"來(lái)施加熱。非常緩慢地施加熱，允許在峰 值溫度停留幾分鐘至幾小時(shí)，然后允許在絕緣加熱毯中非常緩慢地冷 卻。
在縫焊管材生產(chǎn)中，解決高強(qiáng)度合金固有的焊接困難的常規(guī)方法 是改進(jìn)材料的化學(xué)組成。典型地，開(kāi)發(fā)了低碳形式的可空氣淬硬的合 金，使得焊縫不變?yōu)橥耆R氏體且在管材生產(chǎn)期間將不開(kāi)裂。這種方法的例子是題為Method of Manufacturing Stainless Steel Pipe For Use In Piping Systems的美國(guó)專利7， 157， 672，其詳述了低碳雙相 且最多0. 08%C的不銹鋼材料在傳統(tǒng)的管材制造方法中的應(yīng)用。類似 地，在下面文章中使用改進(jìn)的組成來(lái)生產(chǎn)管道"eye/op/ne/^ o/*
process, N. Ayukawa等人,Stainless Steel World 1999 Conference Proceedings, 1999。在對(duì)化學(xué)組成進(jìn)行改進(jìn)中，焊接的容易性和材料 的可淬硬性及最大機(jī)械性能之間存在折衷。
降低焊縫硬度的另一種方法是加入填充材料，由此改進(jìn)最終冶金 學(xué)性質(zhì)以使得硬且脆的組分例如馬氏體的百分?jǐn)?shù)降低。然而， 一些縫 焊方法(例如激光焊或電阻焊)難以與填料金屬一起使用。另外，要 選擇昂貴的填料金屬以便在冷卻時(shí)不硬化，從而提供較低強(qiáng)度的焊件。 這使得必須使用甚至更大的焊縫來(lái)滿足所要求的接頭強(qiáng)度。
改善焊縫性能的其它方法包括將焊縫機(jī)械變形(strain)和加工 以引起殘余壓應(yīng)力，從而降低焊縫開(kāi)裂的傾向。對(duì)于所有焊縫幾何形 狀(最簡(jiǎn)單的除外)，這種方法不是有效的，或甚至是不可行的。題 為Strengthening of a Welding Seam的美國(guó)專利No. 4， 072， 035詳
述了這種方法。
在縫焊管材生產(chǎn)中公知使用"焊縫退火裝置"來(lái)改善焊縫的機(jī)械 性能。為在非淬硬合金例如低碳鋼和奧氏體不銹鋼上進(jìn)行操作而設(shè)計(jì) 的這些裝置，在焊接源(weld source)下游的焊縫上在其充分冷卻至環(huán) 境溫度后施加二次熱源。施用兩個(gè)主要特點(diǎn)首先，"焊縫退火裝置" 將焊縫再加熱到高于Au的溫度，將材料再奧氏體化并且保持一定時(shí) 間，然后允許緩慢冷卻，等效于"正火"熱處理循環(huán)；其次，對(duì)非淬 硬的合金使用"焊縫退火裝置"。"焊縫退火"方法的例子描述于題 為 Inductor for Induction Heating Apparatus 的美國(guó)專利 No. 3, 242, 299和題為Method For Heat-Treating Straight Bead Welding Pipes For Use in Piping Systems的美國(guó)專利No. 4， 975， 128 中。題為Welding Apparatus的美國(guó)專利No. 2, 293, 481和題為 Electric Welding的美國(guó)專利No. 2， 262， 705描述了產(chǎn)生具有降低的 脆性的焊縫的方法。這兩種方法均對(duì)可淬硬的合金采用相對(duì)短的回火 循環(huán)，再加熱焊縫以改善機(jī)械性能。然而，在帶鋸片和點(diǎn)焊縫上使用 的這些方法與本發(fā)明不同。使用與產(chǎn)生焊縫相同的設(shè)備來(lái)原位進(jìn)行這 些方法。實(shí)際上，對(duì)于美國(guó)專利No. 2, 262, 705的方法點(diǎn)焊設(shè)備必須停 留在適當(dāng)位置以便合適地淬火，接著立即再加熱以將焊縫回火。最顯 著的是對(duì)不連續(xù)的焊接接頭即點(diǎn)焊型、閃光焊型或凸點(diǎn)焊型焊縫使用 這些方法。
常規(guī)方法例如分批預(yù)加熱和PWHT不適于低成本的、高品質(zhì)的、大 量的生產(chǎn)。遺憾的是，這些方法對(duì)于與現(xiàn)代制造方法相關(guān)的高生產(chǎn)水 平而言不是成本、時(shí)間或能量有效的。理想的方法將允許自熔焊接(即 不使用填料金屬)或者使用與進(jìn)行焊接的基礎(chǔ)金屬具有類似化學(xué)組成 的相配強(qiáng)度的填料金屬(該填料金屬能夠?qū)Ω邚?qiáng)度接頭硬化)并且兼 有快速加熱和廉價(jià)的空氣冷卻循環(huán)。
在如下專利中本發(fā)明人描述了多種提高焊縫和HAZ延展性的方 法2007年6月19日授權(quán)的美國(guó)專利No. 7， 232, 053; 2007年1月10 日提交的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)No.60/879，861; 2006年10月4日提交的 美國(guó)申請(qǐng)No. 11/542， 970; 2006年9月22日提交的美國(guó)申請(qǐng) No. 11/526, 258; 2006年9月11曰提交的美國(guó)申請(qǐng)No. 11/519， 331; 2004年12月30日提交的美國(guó)申請(qǐng)No. 10/519,910; 2002年7月1日 提交的國(guó)際申請(qǐng)No.PCT/US02/20888; 2001年6月29日提交的美國(guó)臨 時(shí)申請(qǐng)No. 60/301, 970。通過(guò)引用將這些參考文獻(xiàn)中的每一篇整體并 入本文。遺憾的是，甚至這些方法也具有缺點(diǎn)。
因此，從生產(chǎn)觀點(diǎn)來(lái)看，希望在生產(chǎn)期間提供可為優(yōu)選的熱處理 以便改善縫焊接頭的機(jī)械性能。優(yōu)選地，可使用簡(jiǎn)單的PWHT方法來(lái)明 顯提高焊縫和HAZ的延展性。
發(fā)明概述簡(jiǎn)言之，根據(jù)本發(fā)明，提供了形成鋼構(gòu)件(包括但不限于焊接的 管材構(gòu)件)的改進(jìn)的方法。從廣義上講，本發(fā)明針對(duì)于可淬硬的鐵合
金的改進(jìn)的焊后熱處理(PWHT)。
本發(fā)明的形成鋼構(gòu)件的方法包括處理在將可淬硬的鐵合金的兩個(gè) 表面焊接在一起時(shí)形成的常規(guī)焊縫。通過(guò)施熱源(優(yōu)選為常規(guī)焊接裝 置形式)形成這種初始焊縫，以便使鄰接的表面具有足夠高的溫度， 以致于使鐵合金熔化并形成焊縫。對(duì)于可淬硬的鐵合金，然后允許焊 縫冷卻到低于馬氏體轉(zhuǎn)變開(kāi)始(Ms)溫度。可將焊縫冷卻到環(huán)境溫度。 作為替代方案，可將焊縫冷卻到鐵合金的馬氏體轉(zhuǎn)變開(kāi)始(Ms)溫度和 環(huán)境溫度之間的中間溫度。
在焊縫冷卻到低于馬氏體轉(zhuǎn)變開(kāi)始(Ms)溫度后，在焊后熱處理過(guò) 程中將焊縫回火。以10°C/s或更大的速率將焊縫快速加熱到高于焊縫 的可淬硬鐵合金的馬氏體轉(zhuǎn)變開(kāi)始(Ms)溫度。然而，并不將焊縫加熱 到高于焊縫的可淬硬鐵合金的下臨界溫度(Acn)。重要的是，以至少10 。C/s的速率快速加熱焊縫，優(yōu)選200°C/s的速率。盡管局部熱源是優(yōu) 選的，但可使用各種熱源向焊縫施加熱。局部熱源包括但不限于丙烷 或氧乙炔焊炬、電阻、電弧、激光、傳導(dǎo)、輻照、對(duì)流或高頻感應(yīng)方
法。本文中描述的局部熱源向焊縫和鄰^:區(qū)域提供了熱，但不加熱整
個(gè)部件。
對(duì)于可淬硬的鐵合金， 一旦通過(guò)將焊縫加熱到高于馬氏體轉(zhuǎn)變開(kāi)
始(Ms)溫度但不高于下臨界溫度(A")對(duì)焊縫進(jìn)行了回火，則即刻將焊
縫空氣冷卻而不在保持溫度下均熱一定時(shí)間。以大于15。C/分鐘進(jìn)行 空氣淬火，然而優(yōu)選不高于如通過(guò)水冷可以提供的200'C/秒。
在本發(fā)明的實(shí)施中可以使用的許多種"可淬硬的鐵合金"包括認(rèn) 為可空氣淬硬的那些鋼和合金。認(rèn)為本發(fā)明的形成鋼構(gòu)件的方法和焊 后熱處理方法特別適用于可淬硬的馬氏體不銹鋼，特別是410、 420 和440類型的那些。因?yàn)椴煌暮辖饡?huì)具有不同的下臨界溫度，馬氏 體轉(zhuǎn)變開(kāi)始(Ms)溫度和馬氏體轉(zhuǎn)變結(jié)束(MF)溫度，并且因?yàn)楹缚p性質(zhì)將 取決于焊接設(shè)計(jì)而變化，所以回火速率、回火最終溫度和冷卻速率將會(huì)變化。
還認(rèn)為本發(fā)明的形成鋼構(gòu)件的方法特別適用于形成縫焊管道和管 材構(gòu)件、以及對(duì)于產(chǎn)生周向焊縫(例如在氣體罐或液體罐上)，
西此，本發(fā)明的一個(gè)目的是提供形成可淬硬的鐵合金的焊接鋼構(gòu) 件的方法。
本發(fā)明的另外目的是提供形成鋼構(gòu)件的改良方法，其中在初始生 產(chǎn)期間可進(jìn)行熱處理以便改善縫焊的接頭的機(jī)械性能。
本發(fā)明的又一目的是提供焊后熱處理系統(tǒng)，該系統(tǒng)將提高焊縫和
HAZ的延展性而不增加處理時(shí)間。
本發(fā)明的再一目的是提供形成鋼構(gòu)件的方法，該方法實(shí)施起來(lái)廉 價(jià)且相對(duì)簡(jiǎn)單。
由下面結(jié)合附圖的詳細(xì)描述，本發(fā)明的這些和其它另外目的和優(yōu) 點(diǎn)對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員將是清楚的。
附圖簡(jiǎn)要描述
圖1是顯示于焊接后在可空氣淬硬的鋼的熱影響區(qū)(HAZ)中觀測(cè) 到的4種不同顯微組織區(qū)域的示意圖2是貫穿可空氣淬硬的馬氏體不銹鋼中沒(méi)有進(jìn)行預(yù)先或后熱處 理的典型焊縫的顯微硬度的坐標(biāo)圖3是與本發(fā)明的溫度曲線相比較的常規(guī)回火的焊后熱處理溫度 曲線的坐標(biāo)圖4是描述本發(fā)明的焊后熱處理過(guò)程的流程圖5是凸緣縫焊之前由預(yù)淬硬的殼體構(gòu)成的典型蛤殼式罐組件的 透視分解圖6是凸緣縫焊之后由預(yù)淬硬的殼體構(gòu)成的典型蛤殼式罐組件的 透視圖7是凸緣縫焊之后的典型蛤殼式罐組件的透視圖，顯示了用成 形電阻加熱線圏進(jìn)行的局部焊縫熱處理；
圖8是凸緣縫焊之后的典型蛤殼式罐組件的透視圖，顯示了采用所用的成形電阻加熱線圈進(jìn)行的局部焊縫熱處理；
圖9是凸緣縫焊之后的典型蛤殼式罐組件的橫截面?zhèn)纫晥D，顯示 了釆用位于夾持固定器內(nèi)的加熱線圏(電阻或感應(yīng))進(jìn)行的局部焊縫 熱處理；
圖10是凸緣縫焊之后的典型蛤殼式罐組件的橫截面?zhèn)纫晥D，顯示 了對(duì)于局部焊縫熱處理，通過(guò)使電流穿過(guò)殼體進(jìn)行的局部焊縫熱處理； 和
圖11的柱狀圖比較了根據(jù)本發(fā)明進(jìn)行處理的41G型縫焊樣品的 DIN EN 895縱向拉伸試樣的斷裂時(shí)最大應(yīng)變，使用62次試驗(yàn)的平均 結(jié)果。
發(fā)明詳述
雖然如附圖中所顯示，本發(fā)明允許多種形式的實(shí)施方案，但下文 將以這樣的理解來(lái)描述本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案，即認(rèn)為本公開(kāi)內(nèi)容是 本發(fā)明的示例而并不意欲將本發(fā)明限制于所說(shuō)明的特定實(shí)施方案。
本發(fā)明包括處理由高強(qiáng)度鋼和其它可淬硬的合金制成的焊縫或縫 焊構(gòu)件的方法。認(rèn)為本發(fā)明特別適用于經(jīng)縫焊而轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體焊縫和 HAZ顯微組織的合金，因此下面描述特別適用于這樣的鋼。本發(fā)明的 方法允許改善焊區(qū)的延展性和韌性并且降低焊縫的脆性和對(duì)氫致冷開(kāi) 裂的敏感性。本發(fā)明允許改善焊區(qū)(熔合區(qū)和HAZ)的機(jī)械應(yīng)變和變 形，從而消除了對(duì)整個(gè)構(gòu)件的另外的焊后固溶熱處理例如中間退火、 亞臨界退火或應(yīng)力消除的需要。本發(fā)明的局部熱處理消除了改變基礎(chǔ) 金屬的材料性能和顯微組織的風(fēng)險(xiǎn)，使本發(fā)明適合于焊前熱機(jī)械處理 的合金以及在物理上不能經(jīng)受整個(gè)部件熱處理的那些合金。
如在SAEJ412規(guī)范(Ci^WCT^/Sr/a JiV/ i^471 77 ^7￥^\7^ W 5Tfi^X51)中所概述，"可淬硬性或?qū)崽幚淼捻憫?yīng)可 能是選擇鋼的最重要的單一標(biāo)準(zhǔn)?？纱阌残允菦Q定著通過(guò)從高于轉(zhuǎn)變 范圍進(jìn)行淬火所引起的硬度的分布和深度的鋼性質(zhì)…術(shù)語(yǔ)淬硬表明可 通過(guò)合適處理來(lái)提高材料的硬度，通常涉及加熱到合適的奧氏體化溫度并接著根據(jù)合金含量而以某種最小速率進(jìn)行冷卻。如果淬火完成， 則所得組織是馬氏體...其硬度取決于鋼的碳含量"。
如本文所定義的，術(shù)語(yǔ)"可淬硬的合金"是指可直接淬硬的鋼等 級(jí)和響應(yīng)熱處理的鐵合金。另外，"可淬硬的合金"具有足夠的碳含
量，兼有其它合金化元素，從而在常規(guī)縫焊后于熔合處和HAZ中形成 馬氏體顯微組織。本文定義的"可淬硬的合金"具有明確限定的轉(zhuǎn)變 溫度，該溫度取決于合金的特定化學(xué)組成，包括Ae廣上臨界溫度、AC1-下臨界溫度、Ms-馬氏體轉(zhuǎn)變開(kāi)始溫度和MF-馬氏體轉(zhuǎn)變結(jié)束溫度。"可 淬硬的合金"包括認(rèn)為可空氣淬硬的那些鋼和合金，這是因?yàn)榕c縫焊 有關(guān)的自然淬火冷卻速率大于空氣淬火。如本文中所定義的，術(shù)語(yǔ)"可 淬硬的合金"不包括被認(rèn)為是"低碳滲碳等級(jí)"的那些鋼和鐵合金， 其僅通過(guò)經(jīng)由表面淬硬處理使元素注入材料表面而對(duì)熱處理發(fā)生響 應(yīng)。
本發(fā)明可適用的代表性可淬硬的合金包括但不限于
SAE1030、 1034、 1035、 1037、 1038、 1039、 1040、 1042、 1043、 1044、 1045、 1046、 1049、 1050、 1053、 1536(1036)、 1541(1041)、 1547 (1047)、 1547 (1047)、 1548 (1048)、 1551 (1051)、 1552 (1052)
SAE1055、 1059、 1060、 1064、 1065、 1069、 1070、 1074、 1075、 1078、 1080、 1084、 1085、 1086、 1090、 1095、 1561(1061) 1566(1066)、 1572 (1072)
SAE 1330、 1335、 1340
SAE4037、 4047、 4130、 4135、 4137、 4140、 4142、 4145、 4150、 4161、 4340
SAE 5046、 50B40、 50B44、 50B46、 50B50、 5060、 50B60、
SAE 5130、 5132、 5135、 5140、 5145、 5147、 5150、 5155、 51B60
SAE 6150
SAE 8630、 8637、 8640、 8642、 8645、 8650、 8655、 8660、 8740 SAE 81B45、 86B45、 94B30 SAE 9254、 9255、 9260SAE 50100、 51100、 52100
SAE 51410、 51414、 51420、 51431、 51440A、 51440B、 51440C、 51501
22MnB5
30MnB5
DP600
DP800
DP1000
本發(fā)明的優(yōu)選方法包括形成焊縫以接合可淬硬的馬氏體鋼的兩個(gè) 表面。允許焊縫冷卻到低于焊縫的馬氏體轉(zhuǎn)變開(kāi)始溫度-Ms。可將焊縫 的溫度冷卻到低于馬氏體轉(zhuǎn)變結(jié)束溫度或甚至冷卻到室溫，或者可不 將焊縫的溫度冷卻到低于馬氏體轉(zhuǎn)變結(jié)束溫度或甚至冷卻到室溫。如 圖3和圖4中所示，其后將完成的焊縫快速加熱到焊縫金屬的Au-下 臨界溫度(共析溫度)，或者加熱到高于馬氏體轉(zhuǎn)變開(kāi)始(Ms)溫度的 較低中間溫度，并且允許焊縫進(jìn)行空氣冷卻。在如圖3中命名為方法 "A"的第一實(shí)施方案中并且如溫度相對(duì)于時(shí)間的框圖上虛線所示，將 焊縫加熱到Au溫度但不超過(guò)Au-下臨界溫度。該實(shí)施方案將允許焊縫 的最大軟化，因?yàn)樗旭R氏體將經(jīng)受最大的高溫回火。在如圖3中命 名為方法"B"的第二實(shí)施方案中并且如溫度相對(duì)于時(shí)間的框圖上點(diǎn)線 所示，加熱到中間溫度可通過(guò)降低脆性而不過(guò)度軟化焊縫且不過(guò)度降 低焊縫的拉伸強(qiáng)度來(lái)用于改善焊縫的韌性。
以大于10°C/s的速率進(jìn)行焊縫的快速加熱。優(yōu)選地，以約200°C /s更加快速地進(jìn)行焊縫的快速加熱。在該快速加熱后即刻進(jìn)行空氣淬 火(沒(méi)有在保持溫度下的均熱時(shí)間)。由快速加熱到空氣冷卻的"即 刻"轉(zhuǎn)變意指應(yīng)相對(duì)寬泛地理解為包括幾秒或甚至幾分鐘的轉(zhuǎn)變期， 其可以是制造過(guò)程所附帶的。然而，由快速加熱到空氣冷卻的"即刻，， 轉(zhuǎn)變期不意指包括允許發(fā)生鐵合金的晶體顯微組織的明顯改變的等溫 均熱時(shí)間，所述改變例如碳析出物的粗化以及再結(jié)晶。與空氣冷卻一 致的優(yōu)選淬火速率大于15"C/分鐘但小于200°C/s。在本發(fā)明中可用成型的熱源將焊縫整體加熱，或者逐段加熱(如 在軋機(jī)上連續(xù)縫焊的情形)。使用各種局部熱源中的任何局部熱源將 熱施加到焊縫，所述熱源包括但不限于丙烷或氧乙炔焊炬、電阻、電 弧、激光、傳導(dǎo)、輻照、對(duì)流或高頻感應(yīng)。本文中使用術(shù)語(yǔ)"局部" 來(lái)描述向部件的局部區(qū)域提供熱但不加熱整個(gè)部件的熱源，例如通過(guò) 爐子或烘箱來(lái)提供。在連續(xù)處理的情形中，例如在縫焊管道和管材的 生產(chǎn)中，對(duì)于較大管道，選擇性地加熱局部焊縫區(qū)域?qū)⑹亲钣行У膶?shí) 施方案。作為替代方案，例如用螺旋狀感應(yīng)線圏或其它手段通過(guò)環(huán)形 地加熱管道的整個(gè)圓周可保持在本發(fā)明的精神內(nèi)。認(rèn)為這種環(huán)形加熱
較適合于較小的管道和管材直徑。參照?qǐng)D5和6，在優(yōu)選實(shí)施方案中， 可同時(shí)加熱整個(gè)焊縫，這可適用于包括例如可淬硬的合金燃料罐或液 體罐上的周向焊縫的各種構(gòu)造。
的馬氏體的量)，該方法減弱了幾個(gè)其它HAZ開(kāi)裂貢獻(xiàn)因素，包括
在用該方法加熱鋼時(shí)允許另外時(shí)間的氫擴(kuò)散和釋放。在經(jīng)受施 加的或殘余的拉伸應(yīng)力時(shí)，這種殘留的氫是馬氏體顯微組織中氫致冷 開(kāi)裂的原因。
*由于沿焊縫長(zhǎng)度的降低的熱梯度而消除焊縫中的收縮應(yīng)變和 應(yīng)力。
*提高熔合區(qū)和HAZ的延展性及韌性。
*使焊縫和HAZ中形成的任何馬氏體回火。
如圖7和8中所示，可以^使用成形的電阻加熱線圏來(lái)局部熱處理 圍繞整個(gè)罐周緣的焊縫。加熱線圏可從頂側(cè)、底側(cè)或兩側(cè)進(jìn)行施加并 且通過(guò)與焊縫表面直接接觸或離開(kāi)焊縫表面放置而保持在適當(dāng)位置， 直到達(dá)到峰值溫度。然后移除線圏并且允許焊縫空氣冷卻至室溫。不 需要保護(hù)氣氛；然而，如果必要，可在非氧化性氣氛中進(jìn)行該處理。
參照?qǐng)D9和10，作為替代方案，使用成形的感應(yīng)線圏或火焰或其 它方法將熱施加到焊縫?？蓪⒓訜峋€圏裝入壓力機(jī)壓模構(gòu)件中(圖9), 其抑制焊縫在處理期間發(fā)生翹曲。在圖10中所顯示的加熱處理的另一個(gè)實(shí)施方案中，電流從一個(gè)部件傳遞到另一個(gè)部件，將焊縫電阻加熱 到合適的溫度。
需要縫焊預(yù)淬硬的淬硬合金的典型汽車(chē)結(jié)構(gòu)應(yīng)用包括底盤(pán)部件，
A、 B和C立柱，頂蓋縱梁，車(chē)頂彎梁，沖擊橫梁和保險(xiǎn)杠。最終車(chē)體 組件的尺寸和幅度阻止任何全構(gòu)件焊后應(yīng)力消除處理。本發(fā)明的焊后
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在實(shí)踐中，就可空氣淬硬馬氏體不銹鋼的初始測(cè)試結(jié)果，發(fā)現(xiàn)根 據(jù)上述第一和第二實(shí)施方案處理的焊縫在與焊接狀態(tài)試樣相比時(shí)具有
顯著的延展性和韌性改善。例如，在0. 5mm、 1. Qmm和2. Gmm厚度的使 用410型不銹鋼(UNS41000、 SAE51410)的縫焊試驗(yàn)帶材上用本發(fā)明進(jìn) 行試驗(yàn)。將線性縫焊試驗(yàn)固定器設(shè)計(jì)成將試驗(yàn)帶材以60英寸長(zhǎng)度自熔 地對(duì)接GTAW焊接，由此從焊縫的中心穩(wěn)態(tài)部分選取試驗(yàn)試樣。依照于 本發(fā)明在GTAW焰炬體的下游實(shí)施單側(cè)線性感應(yīng)線圏。使用非接觸3.9 um波長(zhǎng)紅外高溫計(jì)獲得直接表面溫度測(cè)量結(jié)果。
對(duì)于410型不銹鋼，允許焊縫冷卻到約180X:，低于馬氏體轉(zhuǎn)變 開(kāi)始溫度-Ms，也低于馬氏體轉(zhuǎn)變結(jié)束溫度-Mf，它們分別為約33(TC和 230'C。然后將完成的焊縫快速加熱到約650X:，剛好低于為約675'C 的下臨界溫度-An,并且即刻讓其空氣冷卻。如繪制了沿焊縫(縱向拉 伸)方向的最大伸長(zhǎng)率的圖11中所示，通過(guò)根據(jù)本發(fā)明的方法進(jìn)行回 火，縫焊試樣表現(xiàn)出焊縫和HAZ延展性的顯著改善。在較厚試驗(yàn)帶材 上看到最大的益處，這是因?yàn)檩^厚的規(guī)格施加較大程度的縫焊接頭約 束且因此施加較高的殘余應(yīng)力，本發(fā)明的熱處理方法減輕了所述約束 和殘余應(yīng)力。在處理不同合金時(shí)，施加熱至焊縫的Au-下臨界溫度(共 析溫度)或者至更低的中間溫度可提供焊區(qū)的不同機(jī)械性能，并且其 選擇將取決于所使用的材料和所需機(jī)械性能。
本發(fā)明理想地適合于所有縫焊處理例如激光焊、電阻縫焊和電弧 焊。除自熔焊縫外，本發(fā)明對(duì)于處理使用可淬硬的焊接填料合金的焊 縫用以降低熔合區(qū)域和HAZ的脆性也是理想的。上溫度閾值、Au-下臨界溫度(共析溫度)(低于該溫度時(shí)鐵素體和碳化物是穩(wěn)定的)和Ms-馬氏體轉(zhuǎn)變開(kāi)始溫度均取決于焊縫和基礎(chǔ)合金的化學(xué)組成。自然冷卻 速率取決于材料厚度、接頭幾何形狀、合金類型和環(huán)境條件。
雖然說(shuō)明和描述了本發(fā)明的若干特定形式，但將清楚的是，可作 出各種改變而不背離本發(fā)明的精神和范圍。因此，除下面權(quán)利要求書(shū) 外，本發(fā)明不意欲受到限制。按照為了讓本領(lǐng)域技術(shù)人員理解本發(fā)明、 再現(xiàn)本發(fā)明和實(shí)施本發(fā)明這樣的觀點(diǎn)描述了本發(fā)明，并且確定其目前 的優(yōu)選實(shí)施方案，我們請(qǐng)求保護(hù)如下
權(quán)利要求
1.形成鋼構(gòu)件的方法，包括步驟提供可淬硬的鐵合金的第一表面；提供可淬硬的鐵合金的第二表面；將所述第一表面靠近所述第二表面放置；通過(guò)以足夠高的溫度向所述第一表面和所述第二表面施加第一熱源以便所述第一表面和所述第二表面高于它們的熔點(diǎn)從而形成焊縫，將所述第一表面縫焊到所述第二表面；使所述焊縫冷卻到低于所述可淬硬的鐵合金的馬氏體轉(zhuǎn)變開(kāi)始溫度；在使所述焊縫冷卻到低于所述可淬硬的鐵合金的馬氏體轉(zhuǎn)變開(kāi)始溫度的所述步驟之后，將所述焊縫進(jìn)行回火，所述回火包括以10℃/秒或更大的速率將所述焊縫加熱到高于馬氏體轉(zhuǎn)變開(kāi)始溫度但不高于所述可淬硬的鐵合金的下臨界溫度；和在將所述焊縫進(jìn)行回火的所述步驟后以15℃/分鐘或更大的速率空氣冷卻所述焊縫。
2. 權(quán)利要求1的形成鋼構(gòu)件的方法，其中以10"/秒至2001C/秒 的速率實(shí)施將所述焊縫進(jìn)行回火的所述步驟，并且以15。C/分鐘至200 'C/秒的速率實(shí)施空氣冷卻所述焊縫的所述步驟。
3. 權(quán)利要求1的形成鋼構(gòu)件的方法，其中將所述焊縫進(jìn)行回火的 所述步驟包括利用局部熱源來(lái)加熱所述焊縫。
4. 權(quán)利要求3的形成鋼構(gòu)件的方法，其中以10'C/秒至200匸/秒 的速率實(shí)施將所述焊縫進(jìn)行回火的所述步驟，并且以15'C/分鐘至200 'C/秒的速率實(shí)施空氣冷卻所述焊縫的所述步驟。
5. 權(quán)利要求1的形成鋼構(gòu)件的方法，其中所述可淬硬的鐵合金是 可空氣淬硬的馬氏體不銹鋼，該不銹鋼具有等于或大于0. 08重量％的碳 含量。
6. 權(quán)利要求1的形成鋼構(gòu)件的方法，其中每一種所述可淬硬的鐵 合金是410、 420或440類型的馬氏體不銹鋼。
7. 權(quán)利要求1的形成鋼構(gòu)件的方法，其還包括將所述鋼構(gòu)件輥軋 成形為所需形狀，在將所述第一表面與第二表面焊接在一起且將所述焊 縫進(jìn)行回火的步驟之后進(jìn)行所述輥軋成形步驟。
8. 權(quán)利要求7的形成鋼構(gòu)件的方法，其中所述鋼構(gòu)件是管材，并 且所述第 一表面限定了鐵合金的輥軋成形帶材的第 一邊緣以及所述第 二表面限定了鐵合金的輥軋成形帶材的第二邊緣。
9. 形成鋼構(gòu)件的方法，包括步驟 提供可淬硬的鐵合金的第 一表面； 提供可淬硬的鐵合金的第二表面； 將所述第一表面靠近所述第二表面放置；通過(guò)以足夠高的溫度向所述第一表面和所述第二表面施加第一熱 源以便所述第一表面和所述第二表面高于它們的熔點(diǎn)從而形成焊縫，將 所述第一表面縫焊到所述第二表面；使所述焊縫冷卻到低于所述可淬硬的鐵合金的馬氏體轉(zhuǎn)變開(kāi)始溫度；在使所述焊縫冷卻到低于所述可淬硬的鐵合金的馬氏體轉(zhuǎn)變開(kāi)始 溫度的所述步驟后將所述焊縫進(jìn)行回火，所述回火包括用局部熱源以10 。C /秒至2 0 01C /秒的速率將所述焊縫加熱到高于馬氏體轉(zhuǎn)變開(kāi)始溫度但 不高于所述可淬硬的鐵合金的下臨界溫度；和在將所述焊縫進(jìn)行回火的所述步驟后以15。C/分鐘至200。C/秒的速率即刻空氣冷卻所述焊縫。
10. 權(quán)利要求9的形成鋼構(gòu)件的方法，其中所述可淬硬的鐵合金是可空氣淬硬的馬氏體不銹鋼，該不銹鋼具有等于或大于o. 08重量y。的碳含量。
11. 權(quán)利要求9的形成鋼構(gòu)件的方法，其中每一種所述可淬硬的鐵 合金是410、 420或440類型的馬氏體不銹鋼。
12. 權(quán)利要求9的形成鋼構(gòu)件的方法，其還包括將所述鋼構(gòu)件輥軋 成形為所需形狀，在將所述第一表面與第二表面焊接在一起且將所述焊 縫進(jìn)行回火的步驟之后進(jìn)行所述輥軋成形步驟。
13. 權(quán)利要求12的形成鋼枸件的方法，其中所述鋼構(gòu)件是管材，并 且所述第 一表面限定了鐵合金的輥軋成形帶材的第 一邊緣且所述第二 表面限定了鐵合金的輥軋成形帶材的第二邊緣。
全文摘要
本發(fā)明以降低的焊區(qū)硬度和改善的焊區(qū)延展性及韌性提供了熱處理可淬硬的鋼和鐵合金的縫焊結(jié)構(gòu)的方法。該方法包括用二次熱源將焊縫快速加熱到高于馬氏體轉(zhuǎn)變開(kāi)始溫度但不高于下臨界溫度的溫度，接著即刻使焊縫空氣冷卻。本發(fā)明的快速回火特別適合于高強(qiáng)度可淬硬的合金的縫焊管道和管材及其它構(gòu)件的生產(chǎn)。
文檔編號(hào)C21D6/00GK101622365SQ200880006715
公開(kāi)日2010年1月6日 申請(qǐng)日期2008年1月17日 優(yōu)先權(quán)日2007年1月17日
發(fā)明者D·S·柯德, E·J·麥克柯林克 申請(qǐng)人:Kva公司