固态高频焊管焊后热处理研究现状

高频焊管的质量指标包括两个方面：表面质量和焊缝质量。前者表现为管材的几何尺寸精度、表面擦伤程度和毛刺清理状态等，它同原始坯料、成型工艺和精整工艺有关；后者则表现在焊缝的机械性能、组织及化学成分等，它同焊接热输入、挤压力及焊缝的热处理有关，而且比前者更加难以控制。

焊后热处理是现代钢管生产中极重要的领域，是进一步扩大焊管应用范围的重要手段。随着高频焊管制造技术的发展，日前主要采用以下3种热处理方式：焊管整体热处理、焊缝在线热处理和焊管形变热处理。

（1）整体式热处理

该类热处理一般为正火或退火。将焊管整体加热至正火或退火温度，使所有组织完全奥氏体化后空冷。这样可基本消除管体与焊缝之间的金相组织差异，且彻底消除焊管由于成型和焊接等产生的内应力，但基体晶粒会有部分长大，焊缝与基体的晶粒度仍存在差异，将带来在力学性能和耐腐蚀方面的不足。

焊管整体热处理离线方式一般采用保护气氛炉加热焊管，而在线方式一般采用多组中频感应线圈分段加热，生产效率很低，成本高，因此目前应用很少。

（2）焊缝热处理

焊缝在线热处理为感应热处理，包括正火、淬火+回火等。焊缝感应热处理只对焊缝及热影响区加热，如图1-7所示，比焊管整体加热更环保、更有效率。

目前焊缝热处理中应用最多的还是正火处理。正火温度在Ac3以上30~50℃，保温一定时间后冷却到室温。为了减少空冷辊道的长度并提高冷却效率，在线正火热处理一般采用空冷和水冷相结合的方法。空冷需等待奥氏体转变为铁素体和珠光体后方能终止，水冷起始温度影响焊缝韧性。从图1-8可以看出，高频焊管焊缝正火热处理水冷起始温度须低于500℃（碳当量越高，此温度越低），才能使焊缝获得良好的韧性。

对于合金钢，随着客户对焊管质量要求的提高，目前很多高频焊管生产厂家会采用两次热处理方式，即淬火+回火调质处理。将焊缝加热至奥氏体化温度后立即对焊缝进行喷水淬火，可以得到极细的马氏体组织，之后在540~700℃进行高温回火处理，可以得到比正火组织强度更高、塑性和韧性更好的回火组织。目前国内外诸如宝钢、日本的新日铁、美国LONG-STAR等多家高频焊管机组都利用淬火+回火工艺生产高钢级的油气输送管和抗腐蚀油井管等产品。

但是感应加热使得焊缝与基体之间出现了新的热影响区，在某种程度上，单纯对焊缝进行热处理加剧了高频焊管的不均匀性。

对于焊管的在线/整体热处理，袁大伟指出，在热处理对焊管焊缝冲击韧性的影响因素中，加热温度比加热时间更为重要，温度过高会使冲击韧性下降，此外虽然升温速率慢有助于降低管壁内外温度和组织差别，但升温速率过低可能引起晶粒粗大使韧性降低。

Olabi等研究了AlSl1020钢焊后热处理工艺参数对硬度、强度和韧性影响，实验结果表明，较高的热处理温度、较长的热处理时间和较低的冷却速率有助于降低硬度同时提高强度，较长的热处理时间和较低的冷却速率可以提高韧性，而升温速率对硬度、强度和韧性几乎无影响。

Chung等进行了X65钢和相应级别的细晶粒钢焊后正火和淬回火热模拟实验，结果表明，两种钢在正火和淬回火后显微组织大致相同，但硬度和夏比实验表明细晶粒焊管硬度和韧性要高于普通X65钢，原因是其尺寸更小的晶粒。

Yan等对管线钢X65钢焊后感应热处理进行了研究，结果表明，尽管热处理后的组织较均匀，且没有脱碳和残余奥氏体存在，但其韧性仍不满足要求，这种低韧性很大程度与晶粒取向有关，焊后热处理可以减轻不利织构的强度，但不能消除。

Han等利用有限元方法研究了焊缝中频感应热处理时的温度场分布，结果表明，在最优参数下感应加热后焊缝区形成了倒三角形的温度场，焊缝靠近外表面的温度要比靠近内表面的温度高；温度场加热效率和温度分布均匀度与电流的频率和密度成正比，与管和线圈距离成反比。

（3）形变热处理

“形变热处理”的本质是通过对高频焊管管材进行重新加热和高温变形，促使高频焊接接头化学成分、内部位错等重新排布，以使焊缝和基体达到“等韧配合”的程度。日本有厂家在普通正火处理后，利用被加热区域的高温软化，使用“UR（Upsetting and Rolling）法”使焊缝区域产生一定的压缩变形，然后空冷，以此提高焊缝韧性。2000年在日本大阪召开的汽车及电气应用管材和管制品国际会议上，日本川崎钢铁提出一种高速焊接及最优减径（减壁）技术（High Speed Tube Welding and Optimum Reducing Technology，HISTORY），其实质是对高频焊管进行的深度热塑性加工，也是控轧技术（TMCP）在钢管制造领域的延伸，HISTORY管比ERW管具有更好的弯曲性能，因而更适合用于汽车行业。

国内曾有学者对板材焊缝进行过随焊冲击和碾压形变热处理研究。随焊冲击法是为了解决大面积高强铝合金薄壁板的对接焊时易产生较大的焊接变形问题而开发的新工艺方法，而碾压形变热处理可用于连续管坯料焊缝的处理，二者的作用机理均是通过焊缝及其两侧金属的纵向向前及横向强制变形来达到控制焊缝热裂和降低残余应力及应变的目的。显然，这两种工艺均适用于板材焊缝的处理，且热处理结果并未涉及焊缝组织结构的优化。

在焊管方面，国内对焊管张力减径关注最多。焊管热张减轧制是将焊管整体加热至奥氏体化温度后，通过张力减径机进行多架次大变形量的轧制，使焊管内部形成微细均匀的晶粒组织。该工艺通过将焊缝与基体同时进行热变形，在同等条件下使二者完成回复再结晶过程，可使焊缝区金相组织和晶粒度与基体趋同，同时也将彻底消除由于焊接成形所带来的内应力0。在利用HFW+热张力减径实现油套管焊管无缝化方面，宝鸡石油钢管做了很多工作。毕宗岳等4研究了热张力减径对C-Mn高频焊管焊缝区组织和晶粒状态的影响，结果表明，焊缝区的组织和晶粒状态与母材一致，经过热张力减径后的焊缝力学性能和抗沟槽腐蚀性得到显著改善。王军、何石磊、窦茂科等也得出了相似的结论。

但是张力减径工艺最突出的缺点就是设备投资较大，对于中小口径高频焊管，张力减径生产线和设备投资会极大抵消高频焊管相对于无缝管成本较低的优势。另外，热张力减径工艺缺少芯棒对管材内表面的平整，因而不适于汽车稳定杆这类对椭圆度精度要求较高的焊管的热变形。对于中小口径高频焊管，有必要提出一种新的工艺路线来实现无缝化。

需要说明的是，本文的“无缝化“钢管是相对于焊管而言，与“无缝钢管”的概念有本质区别：焊管的无缝化包含了外观和组织与性能两个水平，前者体现为焊管焊缝的外观与基体外观的一致性，后者体现为焊接接头的组织、性能与基体的致性。本文的研究侧重于强调后者，即焊管组织和性能的无缝化。