司佳鑫 呂曉春 馬一鳴 安洪亮

摘要：回火焊道焊接技術是一種修復技術，通過后續(xù)焊道的熱循環(huán)對前焊道形成的熱影響區(qū)或焊縫金屬進行回火，從而免除焊后熱處理。結(jié)合國內(nèi)外同行對回火焊道焊接技術的理論研究和實踐應用，在介紹其基本原理及對焊接接頭力學性能和殘余應力影響的基礎上，簡述了回火焊道工藝的制定、優(yōu)化和評定的進展，分析和總結(jié)了其在異種金屬連接中的應用，并對未來的研究方向進行展望。

關鍵詞：回火焊道;焊接修復;熱影響區(qū);力學性能

中圖分類號：TG 455

Abstract：Temper bead welding technique（TBWT）is a repaired technique?which can be treated by tempering the heat-affected zone or previously deposited weld metal by using subsequent beads affect to avoid the post weld heat treatment. The related researches and applications at home and abroad are reviewed in this paper. The research status of welding procedure qualification and optimization of TBWT are commented based on a brief introduction of TBWT and its influence on mechanical properties and residual stress of repaired joint. Furthermore，the applications of TBWT in welding of dissimilar materials are discussed and its future work is put forward.

Key words：temper bead;welding repair technique;heat-affected zone;mechanical property

0?前言

核電、石油和化工等領域的壓力容器在高溫、高壓、腐蝕或中子輻照的惡劣環(huán)境中服役，使得部件常在設計壽命前失效，常見缺欠類型為裂紋、腐蝕、沖刷和變形[1]。為確保壓力容器的安全運行，當部件存在缺陷時，需要采用新的部件替代或?qū)ζ溥M行焊接修復。若采用新部件替代，經(jīng)濟成本高，且可能無備用部件，需向廠商訂貨，增加停機時間;采用焊接修復，會使得熱影響區(qū)硬度升高、韌性下降同時形成殘余應力，難以滿足使用要求。焊后熱處理可有效改善修復區(qū)域的力學性能，但需要花費大量的時間和經(jīng)費，對于承受載荷或壁厚較薄的部件可能導致結(jié)構失強或變形[2]。此外，對于核電中常用的低合金鋼和不銹鋼異種接頭，焊后熱處理更有可能加劇接頭成分不均勻性[3]。

采用回火焊道焊接技術修復受損部件，利用其改善力學性能和無需焊后熱處理的特點，并盡可能在修復區(qū)域形成壓應力或較低應力狀態(tài)，同時可增加壁厚提高結(jié)構強度。此項技術已被寫入ASME和RCC-M規(guī)范中，并在實踐中取得一定應用。文中結(jié)合國內(nèi)外相關報道，對回火焊道焊接技術的研究和應用現(xiàn)狀進行總結(jié)分析，在此基礎上展望未來的發(fā)展趨勢。

1?回火焊道焊接技術簡介

可替代焊后熱處理的焊接修復技術于20世紀80年代初得到發(fā)展，在此之前被稱為半焊道技術，由于難以確定對前一層焊縫的打磨量，隨后經(jīng)過改進發(fā)展為回火焊道焊接技術，主要包括六層回火焊道技術、一致層焊接技術和可控熔覆技術[4]。

依據(jù)ASME第Ⅸ卷給出的定義，回火焊道可以理解為一個放置在合適位置的焊道，使其對形成的熱影響區(qū)及焊縫金屬的組織和力學性能進行改善，如圖1a所示[5]，利用第二層焊道的熱循環(huán)對第一層焊道在母材上形成的粗晶區(qū)進行回火，從而避免使用焊后熱處理。回火焊道焊接技術僅適用于熱處理能夠使組織發(fā)生轉(zhuǎn)變的鋼，如碳鋼和低合金鋼，而對奧氏體不銹鋼、鋁、銅、鎳和鈦合金等材料不適用?；鼗鸷傅拦に嚨膶崿F(xiàn)及回火效果受熱輸入和焊道位置的影響，這些因素均能夠改變后續(xù)焊道的熱循環(huán)條件。一般來說，當后層焊道熱輸入較大時，能夠使母材粗晶區(qū)的馬氏體組織回火更加充分，同時也能夠提高熔覆效率[6]。焊道位置主要指同一層內(nèi)焊道的搭接量和不同層之間的焊趾距離S（圖1b）[5]。搭接量影響著同一層內(nèi)的回火作用和焊縫成形，搭接量過大回火更加充分，但焊縫容易形成瘤狀，反之，搭接量太小易導致焊道間出現(xiàn)凹坑，處于40%～60%范圍時有利于實現(xiàn)回火焊道工藝[7]。焊趾距離S影響著后層焊道對前層焊道焊趾位置淬硬組織的回火作用，S過大時，淬硬組織回火不充分，

S過小時，容易形成新的淬硬組織[8]。此外，回火焊道工藝還受熔覆順序、母材中非金屬夾雜物和保護氣類型等因素的影響，實際操作時應嚴格按照焊接工藝規(guī)程實施。

2?回火焊道對接頭力學性能和殘余應力的影響

應用回火焊道焊接技術可避免使用焊后熱處理，極大地降低修復成本?；鼗鸷傅缹附咏宇^力學性能具有多大程度的改善作用，是否優(yōu)于傳統(tǒng)多層多道焊工藝，甚至優(yōu)于焊后熱處理，這引起學者的廣泛關注。

受損部件修復后，焊接接頭的力學性能直接體現(xiàn)修復效果，并決定著回火焊道工藝能否通過工藝評定。A. S. Aloraier 等人[9-10]對低碳鋼的研究表明，回火焊道工藝施焊后焊接接頭的拉伸性能與焊后熱處理相當，熱影響區(qū)的沖擊韌性在-20 ℃至室溫條件下甚至更高，盡管硬度略高于焊后熱處理，但仍處于可接受水平;兩種工藝的焊縫和熱影響區(qū)顯微組織十分相似，而焊后熱處理能夠顯著降低殘余應力，回火焊道修復后部件的局部殘余應力仍不低于屈服強度。

修復過程一般均在高拘束度和快速冷卻的條件下進行，因此導致了較高的殘余應力。J. Price等人[11]測量了分別以回火焊道工藝和傳統(tǒng)多層多道焊工藝施焊25 mm厚碳鋼Y形對接接頭的殘余應力，結(jié)果表明，兩種工藝的最大縱向殘余應力甚至超過單軸屈服強度，最大橫向殘余應力分別達到屈服強度的60%和40%，因此，J. Price認為當殘余應力成為主要考慮因素時，使用去應力焊后熱處理仍然十分必要。F. Gommez 等人[12]利用數(shù)值模擬研究了回火焊道工藝對連接管道時殘余應力的影響，結(jié)果表明，與焊后熱處理比較，回火焊道熱影響區(qū)的環(huán)向殘余應力仍然較高。X. Shi等人[13]對低合金鋼的研究表明，對于對接接頭，回火焊道工藝可使橫向殘余應力成為主應力，同時能夠有效降低熱影響區(qū)的縱向殘余應力;T形接頭中，回火焊道可顯著降低焊縫處的橫向和縱向殘余應力。

顯然，回火焊道具有改善接頭力學性能的能力，并滿足相關標準的要求，但改善殘余應力的能力十分有限。為進一步比較兩種工藝的回火程度，F(xiàn). Gommez 等人[12]利用數(shù)值模擬計算了管道連接時回火相的比例及分布，結(jié)果表明，回火焊道堆焊后熱影響區(qū)組織為回火馬氏體，比例較傳統(tǒng)工藝更多，對傳統(tǒng)工藝進行焊后熱處理后，回火相比例增多至略高于回火焊道水平，分布更均勻，并且貝氏體也受到了回火作用，但未對模擬結(jié)果進行試驗驗證。Miroslaw Lomozik等人[14]通過TEM等分析測試方法，研究了分別以回火焊道工藝和傳統(tǒng)工藝配合去應力退火工藝施焊后粗晶區(qū)的組織、晶粒尺寸和碳化物形貌，結(jié)果表明，粗晶區(qū)組織均為回火馬氏體，回火焊道施焊后粗晶區(qū)亞晶尺寸更小，位錯密度更高，約為（2.42±0.98）×1014 m-2，去應力退火處理后粗晶區(qū)析出更細小彌散的M23C6型碳化物。

可見，雖然回火焊道焊接技術提供的回火效果弱于焊后熱處理，但當殘余應力不是主要考慮因素時，回火焊道焊接技術可替代焊后熱處理。

3?工藝的制定、優(yōu)化和評定

3.1?制定和優(yōu)化工藝

制定回火焊道工藝需要確定力學性能薄弱的待回火區(qū)域位置、能夠改善性能的回火區(qū)域位置以及焊道幾何尺寸，以判斷后續(xù)焊道的回火區(qū)域能否完全覆蓋前焊道的待回火區(qū)域。

劉京[15]通過光學顯微鏡測量焊道尺寸，由顯微硬度確定熱影響區(qū)各分區(qū)位置，同時建立了確定最優(yōu)搭接量模型和單道焊余高的修正模型，制定了激光修復P20模具鋼的回火焊道工藝。秦建[16]通過光學顯微鏡測量了焊道和熱影響區(qū)各分區(qū)的尺寸并確定位置，由焊接熱模擬試驗確定了待回火區(qū)和回火區(qū)的溫度范圍，并結(jié)合厚大焊件溫度場計算解析式，提出了GTAW方法修復核電用SA508-3鋼的回火焊道工藝窗口。通過物理試驗制定回火焊道工藝，一方面需要進行大量力學性能試驗和金相組織分析，導致周期較長;另一方面，性能薄弱的粗晶區(qū)尺寸一般較小，光學顯微鏡較難分辨粗晶區(qū)與細晶區(qū)或熔合線的界限，增加了試驗難度。因此，研究人員開始采用數(shù)值模擬的方法。

A. S. Aloraier 等人[17]和M. Asadi 等人[18]對藥芯焊絲回火焊道工藝堆焊低碳鋼的過程進行了數(shù)值模擬，分別計算了溫度場、組織分布和硬度分布，驗證了回火焊道工藝可減小熱影響區(qū)硬度和尺寸的特點;隨后通過焊接接頭硬度分布驗證模型，表明除二次熱循環(huán)的臨界區(qū)外，整體吻合良好;最后依據(jù)模型研究了熱輸入、焊接電流和焊接速度對硬度的影響規(guī)律，實現(xiàn)了更高效地制定和優(yōu)化工藝。L.Yu等人[19-20]針對GTAW回火焊道工藝堆焊A533B鋼的過程，建立了預測焊后母材熱影響區(qū)硬度和韌性分布的神經(jīng)網(wǎng)絡，利用三層徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡，以熱循環(huán)峰值溫度、冷卻速度、熱循環(huán)溫度參數(shù)TCTP、實測硬度和實測韌性作為樣本，訓練神經(jīng)網(wǎng)絡確定權重;圖2為預測值和實測值的比較[19-20]，表明神經(jīng)網(wǎng)絡具有一定的預測能力;隨后，借助有限元計算的熱循環(huán)曲線作為輸入，同樣可實現(xiàn)對熱影響區(qū)硬度和韌性的預測，并通過了實測驗證。近期，L. Yu等人[21]針對常用的激光回火焊道焊接技術，建立了預測硬度的神經(jīng)網(wǎng)絡系統(tǒng)，并取得滿意成果。H.Murakami等人[22]針對回火焊道工藝在低合金鋼上堆焊鎳基熔覆層的過程，計算了溫度場和焊道形狀，通過驗證模型表明，除熔深以外焊道表面形狀和溫度場均與實測值較接近，可借助模型進一步預測熱影響區(qū)的組織、硬度和殘余應力。

此外，F(xiàn).Gommez等人[12]和X.Ficquet等人[23]分別針對管道連接和熔覆層堆焊過程，建立了計算焊接接頭殘余應力的模型，通過試驗驗證表明，可依賴模型進行回火焊道工藝優(yōu)化和評估焊接接頭可靠性。

利用數(shù)值模擬的方法制定和優(yōu)化回火焊道工藝，其過程首先計算焊接溫度場，在此基礎上對焊道形狀、組織、硬度和殘余應力分布進行模擬，使得在進行物理試驗前對修復后焊接接頭的性能進行預測。應當注意，預測焊后性能的前提是確保模型具有一定的可靠性。

3.2?工藝評定

評定回火焊道工藝時，若不進行沖擊韌性試驗，2004版ASME標準第Ⅸ卷中增加了顯微硬度試驗，而ISO和歐洲等標準則將最大顯微硬度作為評定指標。S.L.Mccracken等人[24-25]認為以最大顯微硬度作為評定指標不合理，研究表明，在相同熱影響區(qū)硬度水平條件下，由于熱影響區(qū)組織不同，韌性可在較大范圍內(nèi)變化，如圖3所示[24]，SA-533鋼和SA-508鋼分別在-31 ℃和22 ℃的韌性和顯微硬度的關系;假設在回火馬氏體組織具有最優(yōu)沖擊韌性的條件下，S.L.Mccracken提出了一種基于熱影響區(qū)硬度的評定方法，施焊第一層后，測量熱影響區(qū)硬度，用峰值硬度與通過經(jīng)驗公式的計算值比較，判斷熱影響區(qū)是否主要由馬氏體組成，再施焊回火層，再次測量熱影響區(qū)硬度，取峰值硬度并與焊后熱處理熱影響區(qū)比較，判斷是否得到具有良好沖擊韌性的回火馬氏體，實現(xiàn)了僅依據(jù)熱影響區(qū)硬度評定回火焊道工藝。

4?回火焊道在異種材料連接中的應用

考慮到制造成本和使用要求，在核級壓力容器中，低合金鋼與不銹鋼異種材料接頭使用廣泛。一般異種材料焊接接頭在兩種情況下應用[26]：①低合金鋼管嘴與不銹鋼管道安全端的連接;②在低合金鋼內(nèi)表面熔覆耐蝕層，如圖4所示。然而，異種材料接頭中存在焊縫成分不均勻和線膨脹系數(shù)差異大等不足，使其成為核級設備運行過程中易于失效的部位之一。考慮到實際修復時焊后熱處理難以實施，國內(nèi)外學者對回火焊道工藝在低合金鋼和不銹鋼異種材料連接中的應用進行了研究。

4.1?理論研究

對于異種材料焊接接頭，回火焊道焊接技術對修復區(qū)域力學性能的影響規(guī)律仍值得重視。朱平等人[27]經(jīng)研究表明，在低合金鋼上以回火焊道工藝堆焊鎳基合金，可使得堆焊層熱影響區(qū)中的板條組織得到回火，硬度降低至320 HV10以下，沖擊韌性提高27%，驗證了回火焊道替代焊后熱處理的可行性。葉義海等人[28]指出在低合金鋼上以回火焊道工藝堆焊鎳基合金時，隨著堆焊層的增加，熱影響區(qū)的淬火馬氏體逐漸得到回火，最終完全轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗鸾M織，為異種接頭回火焊道修復技術奠定了基礎。

在低合金鋼與不銹鋼連接時，因成分不均勻在熔合線靠近焊縫側(cè)易形成淬硬組織，W.C.Chung等人[3]在低合金鋼表面熔覆鎳基不銹鋼時發(fā)現(xiàn)，與焊后熱處理比較回火焊道工藝可有效減小焊縫位置馬氏體帶的寬度。應力腐蝕是壓力容器失效的主要原因之一，受損部件修復后，焊接接頭的殘余應力狀態(tài)值得關注。M.A.Boring等人[29]針對內(nèi)徑2 280 mm壁厚12 mm的低合金鋼管道應力腐蝕修復問題，選用Inconel-182焊條進行SMAW回火焊道工藝修復，通過測量焊后熱影響區(qū)的顯微硬度評定工藝，表明回火焊道可有效降低熱影響區(qū)硬度，同時建立有限元模型分析了焊道尺寸、焊接方向和冷卻條件對內(nèi)壁殘余應力狀態(tài)的影響。隨后的研究表明，修復后的管道可服役到下一次停機檢修并被新部件替代[30]。

制定焊接修復工藝時，也應當考慮服役環(huán)境的影響。由于空間限制或流體流動等，難以滿足RSE-M規(guī)范中對預熱溫度的要求，M.Consonni等人[31]以核電中常用的低合金鋼和鎳基熔覆層為研究對象，通過插銷試驗評估冷裂紋敏感性，結(jié)果表明最低預熱溫度應為75 ℃，否則低合金鋼側(cè)易產(chǎn)生冷裂紋。此外，考慮到核電站一次回路的輻射作用，待修復部件所受輻照水平對修復質(zhì)量的影響值得重視。K.Nakata等人[32]針對耐蝕層接頭的修復問題，研究了受損部位中子輻照水平和熱輸入大小對回火焊道工藝修復質(zhì)量的影響，結(jié)果表明，當受損部位位于熔覆焊縫時，為避免氦氣孔和裂紋缺陷，同種材料的He原子濃度不超過12.9×10-6時，可通過熱輸入為250 J/mm的TIG焊修復，不銹鋼耐蝕層的He原子濃度不超過1.1×10-6時，可通過熱輸入為60 J/mm的激光焊接方法修復，鎳基堆焊層的He原子濃度僅超過0.1×10-6時，修復后即產(chǎn)生缺陷，顯然，異種材料接頭對中子輻照更加敏感。

4.2?實踐應用

文獻[33]整理了美國電力研究協(xié)會于20世紀80年代修復壓水堆核電站安全端接頭的實例，缺陷主要為應力腐蝕引起的裂紋，修復位置包括低合金鋼熔覆層、鎳基焊縫和安全端熱影響區(qū)，文獻[34]介紹了該機構近期的修復案例，均表明修復后的部件能夠服役直至被新部件替代。國內(nèi)起步較晚，吳彥奇[35]針對蒸汽發(fā)生器封口焊管孔熔損的問題，綜合考慮后，擬采用回火焊道工藝修復，制定了一套包含缺陷去除、回火焊道修復和無損檢測的完整工藝規(guī)程，經(jīng)過檢測表明修復后部件滿足技術要求。

可見，回火焊道焊接技術能夠改善異種材料修復區(qū)域的力學性能，但需要注意淬硬組織和殘余應力對接頭質(zhì)量的影響，此外還應當考慮受損部件的服役環(huán)境。

5?結(jié)論

（1）當前研究充分證實了回火焊道焊接技術能夠改善接頭的力學性能并滿足標準的要求，但是，其對殘余應力的影響仍存在分歧，而殘余應力的分布和大小對應力腐蝕和疲勞失效尤其重要。因此，應當更深入研究回火焊道技術對殘余應力的影響規(guī)律。

（2）通過物理試驗制定和優(yōu)化回火焊道工藝，具有周期長和試驗難度大的特點，借助數(shù)值模擬則更加高效，但要求模型具有一定的可靠性。因此，應更深入研究回火焊道工藝修復過程中的熱傳導、熔池流動和相變等理論。

（3）對于異種材料連接，存在接頭成分不均勻和線膨脹系數(shù)差異大等不足，若能夠深入理解回火焊道焊接技術對焊接接頭不均勻性的影響，將有效提高修復質(zhì)量。

（4）為促進此項技術的實際應用，應當加快國外先進工業(yè)標準的引進和吸收，結(jié)合國內(nèi)技術特點與設備要求制定國內(nèi)標準。

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