焊前预热和焊后热处理在合金钢焊接工艺中的作用

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摘要:根据合金钢的成分特点及焊接性，研究焊前预热和焊后热处理在其焊接过程中的作用和目的关键词:合金钢；焊接性能；焊前预热；焊后热处理

中图分类号：P755.1 文献标识码：A文章编号：

一、合金钢的特点及焊接性概述

合金钢是在优质碳素结构钢的基础上，适当地加入一种或数种合金元素(总量＜5%)而制成的钢种。低合金钢的焊接性主要包括两个方面，其一是裂纹敏感性，其二是焊接热影响区的力学性能。随着冶炼技术的发展，合金钢材料取得了显著进展，精炼技术、微合金钢技术、控轧控冷技术、形变热处理（TMCP）等一些先进技术的应用，使得现代合金钢的焊接性大大改善，尤其是HAZ冷列裂纹敏感性大大降低，粗晶区韧性大幅度提高，高效率、大线能量焊接工艺得以应用。然而，新的问题也伴随着出现，如母材的低碳当量高强度化使得冷裂纹从HAZ转移到焊缝金属中，多层焊接头中的局部脆性区问题等。

1、冷裂纹问题

扩散氢、脆性组织和残余应力是冷裂纹产生的三要素，对于合金钢钢，由于TMCP技术和微合金化技术的广泛应用，碳含量和碳当量都大幅度降低，因此，其冷裂敏感性不明显，除非在极端情况下（很大的拘束度或扩散氢含量很高），一般不会遭遇冷裂纹。值得注意的是焊缝金属冷裂纹问题。母材强度的提高和焊接性的改善，促使冷裂纹发生的位置从HAZ转移到焊缝（WM）。

2、热影响区的组织和韧性

焊接热影响区：简称HAZ（heat affect zone ）是指被焊工件在电弧热的作用下， 焊接接头是由焊缝、熔合区和热影响区三个部分组成的焊接时。熔化形成熔池，当热源离开以后，熔化的金属开始冷却结晶，形成焊缝。

熔合区是焊缝与母材之间的一个狭窄区域，金属处于局部熔化状态，晶粒较大，金属的塑性和韧性下降，焊接接头中的单薄区域。

焊接过程中，由于近焊缝区域的母材也受到电弧热的作用，这部分母材的组织和性能均要发生变化，这个发生了变化的母材区域，称为焊缝的热影响区。

焊接热影响区的组织和性能，基本上反映了焊接接头的性能和质量。焊接热影响区据组织的特征分：熔合区、过热区、正火区（相变重结晶区）、部分相变区、再结晶区。

热影响区的组织分布

(1)完全淬火区：

焊接时热影响区处于AC3以上的区域，由于这类钢的淬硬倾向较大，故焊后得到淬火组织（马氏体）。在靠近焊缝附近（相当于低碳钢的过热区），由于晶粒严重长大，故得到粗大的马氏体，而相当于正火区的部位得到细小的马氏体。根据冷却速度和线能量的不同，还可能出现贝氏体，从而形成了与马氏体共存的混合组织。这个区在组织特征上都是属同一类型（马氏体），只是粗细不同，因此统称为完全淬火区。

(2)不完全淬火区：

母材被加热到AC1～ AC3温度之间的热影响区，在快速加热条件下，铁素体很少溶入奥氏体，而珠光体、贝氏体、索氏体等转变为奥氏体。在随后快冷时，奥氏体转变为马氏体。原铁素体保持不变，并有不同程度的长大，最后形成马氏体-铁素体的组织，故称不完全淬火区。如含碳量和合金元素含量不高或冷却速度较小时，也可能出现索氏体和体素体。

如果母材在焊前是调质状态，那么焊接热影区的组织，除在上述的完全淬火和不完全淬火区之外，还可能发生不同程度的回火处理，称为回火区（低于AC1 以下的区域）。合金钢在焊接热循环的作用下，热影响区的组织分布是不均匀的。熔合区和过热区出现了严重的晶粒粗化，是整个焊接接头的薄弱地带。

二、合金钢焊接时的主要工艺措施。

1、焊接材料选择合金钢焊接材料选择根据等强度的要求，即熔敷金属的强度等级应与母材在同一档次来选用焊接材料。

2、预热 预热是防止裂纹的有效措施，并且还有助于改善接头性能。但预热会恶化劳动条件，使生产工艺复杂化，过高的预热温度还会降低接头韧性。因此，焊前是否需要预热以及预热温度的确定应根据钢材的成分（碳当量）、板厚、结构形状、刚度大小以及环境温度等决定。

3、焊接线能量的选择 含碳低的热轧钢（09Mn2、09MnNb钢等）以及含碳量偏下限的16Mn钢焊接时，因为这些钢的冷裂淬硬、脆化等倾向小，所以对焊接线能量没有严格的限制。焊接含碳量偏高的16Mn钢时，为降低淬硬倾向，焊接线能量应偏大一点。对于含V、Nb、Ti的钢种，为降低热影响区粗晶脆化所造成的不利影响，应选择较小的焊接线能量。如15MnVN钢的焊接线能量应控制在40～45kJ/cm以下。对于碳及合金元素含量较高而屈服点为490MPa的正火钢（如18MnMoNb钢等），因淬硬倾向大，应选择较大的焊接线能量，但当采用焊前预热时，为了避免过热倾向，可以适当地减少线能量。

4、后热及焊后热处理 后热是指焊接结束或焊完一条焊缝后，将焊件立即加热至150～250℃范围内，并保温一段时间，使接头中的氢扩散逸出，防止延迟裂纹产生。对于厚壁容器、高刚性的焊接结构以及一些在低温、耐蚀条件下工作的构件，焊后应及时进行消除应力的高温回火，其目的是消除焊接残余应力，改善组织。焊后立即进行高温回火的焊件，无需再进行后热处理。

三、焊前预热的主要作用

1、预热能减缓焊后的冷却速度，有利于焊缝金属中扩散氢的逸出，避免产生氢致裂纹。同时也减少焊缝及热影响区的淬硬程度，提高了焊接接头的抗裂性。

2、预热可降低焊接应力。均匀地局部预热或整体预热，可以减少焊接区域被焊工件之间的温度差（也称为温度梯度）。这样，一方面降低了焊接应力，另一方面，降低了焊接应变速率，有利于避免产生焊接裂纹。

3、预热可以降低焊接结构的拘束度，对降低角接接头的拘束度尤为明显，随着预热温度的提高，裂纹发生率下降。

四、焊后热处理的作用

1、焊后消氢处理，是指在焊接完成以后，焊缝尚未冷却至100℃以下时，进行的低温热处理。一般规范为加热到200~350℃，保温2-6小时。焊后消氢处理的主要作用是加快焊缝及热影响区中氢的逸出，对于防止低合金钢焊接时产生焊接裂纹的效果极为显著。

2、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外加拘束，在焊接工作结束后，在构件中总会产生焊接应力。焊接应力在构件中的存在，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。

3、消应力热处理是使焊好的工件在高温状态下，其屈服强度下降，来达到松弛焊接应力的目的。常用的方法有两种：一是整体高温回火，即把焊件整体放入加热炉内，缓慢加热到一定温度，然后保温一段时间，最后在空气中或炉内冷却。用这种方法可以消除80%-90%的焊接应力。另一种方法是局部高温回火，即只对焊缝及其附近区域进行加热，然后缓慢冷却，降低焊接应力的峰值，使应力分布比较平缓，起到部分消除焊接应力的目的。

五、应用时的问题

1、预热温度和层间温度的选择不仅与钢材和焊条的化 学成分有关，还与焊接结构的刚性、焊接方法、环境温度等有关，应综合考虑这些因素后确定。另外，预热温度在钢材板厚方向的均匀性和在焊缝区域的均匀性，对降低焊接应力有着重要的影响。局部预热的宽度，应根据被焊工件的拘束度情况而定，一般应为焊缝区周围各三倍壁厚，且不得少于150-200毫米。如果预热不均匀，不但不减少焊接应力，反而会出现增大焊接应力的情况。

2、有些合金钢材料在焊接以后，其焊接接头会出现淬硬组织，使材料的机械性能变坏。此外，这种淬硬组织在焊接应力及氢的作用下，可能导致接头的破坏。如果经过热处理以后，接头的金相组织得到改善，提高了焊接接头的塑性、韧性，从而改善了焊接接头的综合机械性能。

六、结论

通过对合金钢的成分、冶炼技术、焊接性、焊接工艺特点的分析，充分论证了焊前预热和焊后热处理在合金钢焊接过程的作用和重要性，便于今后的工程中的合金钢焊接质量控制。