沖壓封頭的成形方法對(duì)材料力學(xué)性能的影響

熊從貴　胡家揚(yáng)　陳靈江　何靜

摘 要 通過對(duì)不同成形方法制造的封頭進(jìn)行封頭直邊的硬度測(cè)試和力學(xué)性能試驗(yàn)，得出同批次、相同厚度的鋼板，在不同的加工單位采用相同的成形方法成形后測(cè)得的表面硬度值有較大差異。封頭成形后直邊處的表面硬度值與鋼板厚度、鋼板厚度與封頭直徑之比成正比。在冷態(tài)對(duì)熱沖壓成形封頭的直邊進(jìn)行整形，會(huì)導(dǎo)致封頭直邊處的表面硬度增加。冷沖壓成形的封頭熱處理后與熱沖壓成形的封頭在直邊處的材料屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和低溫沖擊吸收能量合格，斷后伸長率多數(shù)不合格。

關(guān)鍵詞 熱沖壓 冷沖壓 熱處理 封頭 硬度 斷后伸長率

中圖分類號(hào) TQ050.6? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A? ?文章編號(hào) 0254?6094（2023）02?0158?06

根據(jù)結(jié)構(gòu)形式可將凸形封頭分為半球形、球冠形、橢圓形和碟形［1］，其中橢圓形封頭因加工工藝較簡單、承載能力較高，廣泛應(yīng)用于低中壓容器中，除高壓容器采用球形封頭，以及個(gè)別特殊用途之外，其余均采用橢圓形封頭。常用的橢圓形封頭的加工方法有冷旋壓、熱旋壓、冷沖壓、熱沖壓［2］。旋壓加工不需要大功率的大型沖壓設(shè)備，還能避免高昂的模具費(fèi)用，可根據(jù)需要靈活地調(diào)整尺寸，適用于加工大型的、非批量的橢圓形、碟形封頭；沖壓加工的效率較高，適用于加工直徑較小的橢圓形、碟形封頭。由于受到設(shè)備沖壓能力和壓力容器技術(shù)要求［3］的限制，部分橢圓形、碟形封頭需要采用熱沖壓成形，其余均采用冷沖壓成形，成形后進(jìn)行熱處理。唐波濤通過Q345R封頭拼縫的焊接和熱處理工藝試驗(yàn)，研究了退火溫度、正火的冷卻方式對(duì)焊縫力學(xué)性能的影響［4］；徐春梅和趙紅標(biāo)通過試驗(yàn)證明了封頭成形的熱過程對(duì)其拼接接頭的彎曲性能和沖擊韌性沒有影響，對(duì)抗拉強(qiáng)度有削弱［5］；楊宇衛(wèi)和趙鎮(zhèn)波通過金相和力學(xué)性能試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)Q345R正火鋼板在略高于正火溫度下加熱成形，并控制封頭的終壓溫度，可以替代常規(guī)的正火處理［6］；朱超兵等模擬熱加工方法，采用Q345R熱軋鋼板，分析了力學(xué)性能和組織變化，表明在915～975 ℃之間對(duì)Q345R熱軋鋼進(jìn)行正火熱處理，會(huì)導(dǎo)致其組織變粗，拉伸強(qiáng)度、沖擊功等力學(xué)性能降低［7］；王傳標(biāo)等對(duì)沖擊功不合格的16MnDR鋼制熱沖壓封頭進(jìn)行化學(xué)成分、力學(xué)性能和工藝分析，發(fā)現(xiàn)加熱溫度高達(dá)1 050～1 100 ℃，過高的加熱溫度導(dǎo)致材料的沖擊性能下降［8］；李玉紅對(duì)在950～970 ℃加熱成型的65 mm厚度Q345R封頭的隨爐試板進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)彎曲性能、低溫沖擊韌性、斷后伸長率、屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度均不合格，經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)是母材合金元素偏析和封頭熱成型后冷卻速度較小造成的［9］；朱玉琳和楊慶遠(yuǎn)對(duì)冷旋壓封頭的直邊、過渡段和球面區(qū)分別取樣進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)經(jīng)冷旋壓后封頭母材的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和表面硬度均有所提高，不同部位提高的幅度各不相同，直邊段的提高幅度最大，過渡段次之，球面區(qū)最小［10］。在經(jīng)過熱處理后，屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和表面硬度均有所下降，其中直邊段降低幅度最大，過渡段次之，球面區(qū)最小，但均高于母材原始數(shù)值。冷旋壓后母材的伸長率嚴(yán)重降低，部分出現(xiàn)不合格的情況，在經(jīng)過消除應(yīng)力熱處理后，各部位母材的伸長率明顯得到恢復(fù)，原下降幅度最大的直邊段也恢復(fù)得最多，過渡段和球面區(qū)次之，但是均未達(dá)到鋼板原始數(shù)值。

封頭的加工方法對(duì)材料力學(xué)性能的影響較大，現(xiàn)有文獻(xiàn)對(duì)封頭熱加工后力學(xué)性能的研究較多，但都是對(duì)某項(xiàng)不合格指標(biāo)的分析和研究，未見對(duì)熱沖壓封頭、冷沖壓后消除應(yīng)力熱處理封頭的各部位力學(xué)性能的試驗(yàn)結(jié)果，因此筆者分別對(duì)熱沖壓封頭、冷沖壓后消除應(yīng)力熱處理的封頭進(jìn)行成形狀態(tài)下的表面硬度測(cè)試和直邊段材料力學(xué)性能試驗(yàn)，并進(jìn)行試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析。

1 成形狀態(tài)對(duì)封頭表面硬度的影響

封頭的失效位置多數(shù)出現(xiàn)在直邊段上［3］，如圖1所示，硬度測(cè)試以封頭的直邊段為對(duì)象，選擇在直邊段的外表面沿著封頭圓周方向大致均勻地布置測(cè)點(diǎn)。

1.1 成形工藝對(duì)封頭硬度的影響

根據(jù)產(chǎn)品規(guī)范的要求，壓力容器用凸形封頭在冷成形后，應(yīng)進(jìn)行消除殘余應(yīng)力退火熱處理。對(duì)于不同的封頭加工單位，即使采用相同的成形方法，在成形工藝上也不完全相同；即使采用相同的熱處理工藝，在保溫時(shí)間、溫度場(chǎng)的均勻性方面也不完全相同，這些因素都會(huì)影響到封頭成形后的表面硬度。選取厚度10 mm的同批號(hào)Q245R鋼板在兩家單位采用冷沖壓成形加工DN 900 的標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭，成形后進(jìn)行消除殘余應(yīng)力退火熱處理，封頭直邊處測(cè)得外表面的硬度值如圖2所示。

從圖2可以看出，相同的材料、相同的封頭形式和規(guī)格，采用冷沖壓成形，消除殘余應(yīng)力熱處理后封頭直邊的里氏硬度差別較大。單位甲加工的封頭，消除殘余應(yīng)力熱處理后測(cè)得的最小表面硬度HL346，最大表面硬度HL444，平均表面硬度約為HL355；單位乙加工的封頭，消除殘余應(yīng)力熱處理后測(cè)得的最小表面硬度HL294，最大表面硬度HL360，平均表面硬度約為HL320。單位甲加工的封頭測(cè)得的表面硬度值明顯大于單位乙加工的封頭。通過對(duì)熱處理工藝的調(diào)查，發(fā)現(xiàn)單位乙的熱處理保溫時(shí)間較長，使得封頭的殘余應(yīng)力釋放更充分。另外，封頭堆疊在熱處理爐中時(shí)，上下相鄰的封頭之間保持一定的空隙，使得封頭的加熱溫度更均勻。

1.2 封頭的厚徑比對(duì)硬度的影響

單位乙采用不同厚度的Q245R鋼板冷沖壓加工公稱直徑分別為DN 600、DN 1 200、DN 1 600、DN 1 600、DN 1 800的標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭，消除殘余應(yīng)力熱處理后測(cè)得的不同厚徑比的封頭直邊外表面的硬度值見表1。

從表1可以看出，除DN 600×10 mm的封頭以外，其余封頭成品直邊處的硬度值與封頭壁厚與直徑之比（簡稱厚徑比）呈正比增加的關(guān)系，與封頭的壁厚也呈正比增加的關(guān)系。封頭在冷成形過程中，其厚徑比越大，材料的冷作硬化程度越嚴(yán)重，其表面硬度值應(yīng)越大。經(jīng)與加工單位溝通，DN 600×10 mm封頭顯現(xiàn)出的差異性，主要原因是DN 600×10 mm封頭的熱處理保溫時(shí)間比其他封頭的熱處理保溫時(shí)間要長，可見封頭的消除應(yīng)力退火熱處理時(shí)間對(duì)封頭表面硬度具有重大影響。封頭冷沖壓加工時(shí)，是對(duì)鋼板的雙向拉伸，相同的鋼板厚度，成形直徑越小，鋼板的冷加工變形量越大，材料組織的晶格位錯(cuò)和晶粒破碎越嚴(yán)重，如果熱處理溫度或者保溫時(shí)間不夠，再結(jié)晶不完全，因晶格錯(cuò)位和晶粒破碎引起的殘余應(yīng)力沒有完全釋放，冷作硬化得不到完全改善，將成為封頭表面硬度較高的主要原因。

1.3 成形方法對(duì)封頭硬度的影響

沖壓封頭有冷沖壓成形加消除殘余應(yīng)力熱處理和熱沖壓成形兩種成形方法，為了驗(yàn)證兩種成形方法對(duì)封頭直邊處硬度的影響，單位乙用同批號(hào)的8 mm厚Q245R鋼板分別采用兩種成形方法各加工了兩只標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭，冷沖壓成形封頭進(jìn)行612～627 ℃消除殘余應(yīng)力退火熱處理，熱處理保溫時(shí)間為75 min，得到硬度值見表2。

從表2來看，冷沖壓封頭直邊處的表面硬度與熱沖壓封頭直邊處的表面硬度基本相同。經(jīng)與加工單位溝通，因封頭熱沖壓成形后圓度尺寸出現(xiàn)較大偏差，在冷態(tài)時(shí)對(duì)封頭直邊進(jìn)行過修正，這一過程會(huì)導(dǎo)致封頭直邊處的表面硬度值升高。因此，熱沖壓成形的封頭表面硬度低于冷沖壓成形后消除殘余應(yīng)力熱處理的封頭表面硬度。

2 成形方法對(duì)材料力學(xué)性能的影響

為分析冷沖壓成形加消除殘余應(yīng)力熱處理和熱沖壓成形兩種成形方法對(duì)封頭材料力學(xué)性能的影響，單位乙分別用兩種成形方法加工了Q345R材料的DN 1200×8 mm標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭、Q245R材料的DN 1200×12 mm標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭，消除殘余應(yīng)力熱處理的工藝為入爐溫度60～80 ℃，升溫速度約80 ℃/h，保溫溫范圍度610～625 ℃，保溫時(shí)間75 min，冷卻速度170～200 ℃/h，出爐溫度150～180 ℃。封頭成形后在成形封頭的直邊段取樣進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)，試樣的拉伸方向?yàn)榉忸^的周向，沖擊試樣的缺口方向垂直于封頭的周向，其力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果見表3、4。

從表3、4可以看出，Q345R、Q245R鋼制封頭，無論是熱沖壓成形，還是冷沖壓成形后進(jìn)行消除殘余應(yīng)力退火熱處理，其屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和低溫沖擊韌性均能夠滿足材料標(biāo)準(zhǔn)值的要求，且與材料原始值相比均有提高，但斷后伸長率均低于材料原始值，部分甚至出現(xiàn)不合格的情況。主要原因是金屬在產(chǎn)生塑性變形時(shí)，晶粒的位錯(cuò)密度增大，位錯(cuò)間的交互作用增強(qiáng)，晶粒間相互纏結(jié)，導(dǎo)致晶粒的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)阻力增大；另外晶粒破碎細(xì)化，金屬塑性變形抗力增大。

3 結(jié)論

3.1 相同的材料、相同的封頭型式和規(guī)格，即使采用相同的成形方法，成形后測(cè)得的封頭表面硬度值也差異較大。

3.2 封頭成形后直邊處的硬度值與封頭的厚徑比為正比增加關(guān)系，與封頭壁厚也呈正比增加關(guān)系，封頭消除應(yīng)力退火熱處理的保溫時(shí)間對(duì)封頭表面硬度有重大影響。

3.3 熱沖壓成形的封頭表面硬度低于冷沖壓成形后消除殘余應(yīng)力熱處理的封頭表面硬度，在冷態(tài)對(duì)熱沖壓成形的封頭直邊進(jìn)行整形會(huì)導(dǎo)致封頭直邊處的表面硬度增加。

3.4 冷沖壓成形封頭熱處理后與熱沖壓成形封頭的直邊處的材料屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和低溫沖擊吸收能量均高于材料原始值，但斷后伸長率低于材料原始值，且多數(shù)不合格。

3.5 熱成形封頭的鋼板交貨狀態(tài)對(duì)封頭成形后的力學(xué)性能影響較大，熱沖壓成形時(shí)封頭的加熱溫度不宜過高，終止成形溫度高于其鋼板的正火溫度，有利于提高熱沖壓成形封頭的綜合力學(xué)性能。冷沖壓成形封頭進(jìn)行再結(jié)晶退火熱處理，有利于使在冷沖壓成形時(shí)破碎、畸變的晶粒重新結(jié)晶為均勻的等軸晶粒，恢復(fù)鋼板的力學(xué)性能。

參 考 文 獻(xiàn)

［1］ 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).壓力容器封頭：GB/T 25198—2010［S］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2010.

［2］ 馮志猛.封頭的熱旋壓加工及應(yīng)用［J］.壓力容器，2006，23（1）：49-52.

［3］ 熊從貴，胡家揚(yáng)，林通.氨制冷壓力容器封頭直邊開裂原因分析［J］.壓力容器，2019，36（2）：65-71.

［4］ 唐波濤.Q345R封頭拼焊及熱成型工藝研究［J］.化工管理，2019（15）：180-181.

［5］ 徐春梅，趙紅標(biāo).封頭沖壓制造熱過程對(duì)其拼接接頭力學(xué)性能的影響［J］.中國鍋爐壓力容器安全，2001，17（3）：22-24.

［6］ 楊宇衛(wèi)，趙鎮(zhèn)波.封頭熱成形和熱處理對(duì)于復(fù)合鋼板組織和力學(xué)性能的影響［C］//安徽省科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì).2011年安徽省科協(xié)年會(huì)——機(jī)械工程分年會(huì)論文集.合肥：合肥工業(yè)大學(xué)出版社，2011.

［7］ 朱超兵，銀潤邦，王筱磊.熱成形工藝對(duì)Q345R熱軋鋼板力學(xué)性能的影響［J］.熱處理技術(shù)與裝備，2016，37（1）：28-31.

［8］ 王傳標(biāo)，任曉，袁浩.熱壓封頭沖擊功不合格原因分析及對(duì)策［J］.熱加工工藝，2012，41（11）：216-217.

［9］ 李玉紅.Q345R鋼熱成型封頭帶狀組織的成因和消除［J］.金屬熱處理，2016，41（5）：200-202.

［10］ 朱玉琳，楊慶遠(yuǎn).冷旋壓封頭力學(xué)性能的試驗(yàn)研究［J］.石油化工設(shè)備，1991，20（6）：25-28.

（收稿日期：2022-03-28，修回日期：2023-03-16）

基金項(xiàng)目：浙江省質(zhì)監(jiān)科研項(xiàng)目（20180380）。

作者簡介：熊從貴（1982-），高級(jí)工程師，從事承壓設(shè)備設(shè)計(jì)、制造，高效傳熱和技術(shù)質(zhì)量管理工作，1034589719@qq.com。

引用本文：熊從貴，胡家揚(yáng)，陳靈江，等.沖壓封頭的成形方法對(duì)材料力學(xué)性能的影響［J］.化工機(jī)械，2023，50（2）：158-162；174.