淺談焊前預(yù)熱和焊后熱處理在合金鋼焊接工藝中的作用

陸 洋

江蘇浩特建設(shè)工程有限公司，江蘇靖江 214500

將一種或者幾種合金元素加入到優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼中，在此基礎(chǔ)上制作出來的鋼種被稱作合金鋼。合金元素的添加量應(yīng)控制在5%以內(nèi)。合金鋼的焊接性主要體現(xiàn)兩方面：第一，裂紋敏感性；第二，焊接熱影響區(qū)的力學(xué)性能。近年來，隨著科學(xué)技術(shù)不斷進(jìn)步，冶煉技術(shù)得到迅速發(fā)展。在合金鋼焊接過程中應(yīng)用微合金鋼技術(shù)、形變熱處理技術(shù)、精煉技術(shù)以及控軋控冷技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)，實現(xiàn)了合金鋼材料性能及焊接質(zhì)量的有效提升，有效改善了現(xiàn)代合金鋼的焊接性，其主要表現(xiàn)在HAZ冷列裂紋敏感性顯著降低，粗晶區(qū)韌性明顯提高。然而，調(diào)查研究顯示，目前合金鋼焊接工藝仍存在一定不足，特別是焊前預(yù)熱和焊后熱處理環(huán)節(jié)，需要采取有效措施進(jìn)行控制[1]。

1 合金鋼的特點(diǎn)與焊接性分析

1.1 冷裂紋問題

導(dǎo)致冷裂紋出現(xiàn)的三個基本要素為擴(kuò)散氫、脆性組織以及殘余應(yīng)力。微合金化技術(shù)與TMCP技術(shù)在合金鋼中的廣泛應(yīng)用，大大降低了合金鋼的碳含量與碳當(dāng)量。在這種情況下，只有當(dāng)合金鋼中含有較高的擴(kuò)散氫，或者拘束度很大時，才會產(chǎn)生冷裂紋。焊縫金屬冷裂紋問題則是需要特別關(guān)注的內(nèi)容。由于合金鋼母材強(qiáng)度得以提升、焊接性得以改善，因此原本在焊接熱影響區(qū)的冷裂紋轉(zhuǎn)移至焊縫。

1.2 熱影響區(qū)的組織與韌性

當(dāng)被焊工件受到電弧熱作用時，焊縫、融合區(qū)以及熱影響區(qū)三部分焊接共同組成焊接接頭，這就是焊接熱影響區(qū)。第一，焊縫。構(gòu)件熔化之后形成熔池，在斷開熱源后，熔化的金屬開始冷卻、結(jié)晶，此時就會出現(xiàn)焊縫。第二，熔合區(qū)。合金鋼母材和焊縫之間存在一個狹窄區(qū)域，這個區(qū)域被稱為熔合區(qū)。當(dāng)金屬處在局部熔化狀態(tài)時，由于晶粒比較大，金屬的韌性會相應(yīng)降低。因此，熔合區(qū)在焊接接頭中屬于薄弱部位；第三，焊接熱影響區(qū)。電弧熱作用于靠近焊縫部位的母材，從而改變該區(qū)域母材的性能、組織等，這部分區(qū)域?qū)儆诤附訜嵊绊憛^(qū)。

1.3 熱影響區(qū)的組織分布

焊接接頭的質(zhì)量、性能等主要體現(xiàn)在焊接熱影響區(qū)的組織及性能上，根據(jù)組織特點(diǎn)可以將焊接影響區(qū)分為以下五個區(qū)：正火區(qū)、熔合區(qū)、部分相變區(qū)、過熱區(qū)以及再結(jié)晶區(qū)。其中正火區(qū)又被稱為相變重結(jié)晶區(qū)。

第一，完全淬火區(qū)。在接頭焊接過程中，熱影響區(qū)超過AC3的區(qū)域具有較大的淬硬傾向，因此焊接后獲取淬火組織，也叫作馬氏體。接近焊縫部位的區(qū)域晶粒很大，因此其馬氏體

也比較粗大，與這部分區(qū)域相比，正火區(qū)獲得的馬氏體更細(xì)更小。受線能量及冷卻速度影響，在焊接過程中可能產(chǎn)生貝氏體，貝氏體和馬氏體共同構(gòu)成混合組織，這部分區(qū)域與馬氏體具有相同的組織特征，其差異主要體現(xiàn)在馬氏體的粗細(xì)上，因而將其統(tǒng)一稱作完全淬火區(qū)。

第二，不完全淬火區(qū)。在接頭焊接過程中，對于熱影響區(qū)在AC1～AC3之間的區(qū)域，如果對其進(jìn)行迅速加熱，鐵素體中融入的奧氏體較少，但是索氏體、貝氏體和珠光體等會轉(zhuǎn)化為奧氏體。在速冷時，奧氏體又會轉(zhuǎn)化為馬氏體。在這一過程中，原鐵素體僅不會產(chǎn)生變化，僅存在不同程度的長大現(xiàn)象，最終構(gòu)成馬氏體-鐵素體組織，因此將其稱為不完全淬火區(qū)。當(dāng)合金鋼中合金元素、碳含量較低，或者冷卻速度較慢時，可能會有體素體與索氏體產(chǎn)生[2]。

第三，回火區(qū)。焊接之前的母材如果處于調(diào)質(zhì)狀態(tài)，對于焊接影響區(qū)的組織而言，除了有完全淬火區(qū)、不完全淬火區(qū)以外，還有可能出現(xiàn)程度不同的回火處理，這部分區(qū)域被稱作回火區(qū)，也就是溫度在AC1以下的區(qū)域。在焊接熱循環(huán)作用下，合金鋼熱影響區(qū)的組織分部具有不均勻性，過熱區(qū)、熔合區(qū)可能有嚴(yán)重的晶粒粗化現(xiàn)象出現(xiàn)，因此上述區(qū)域?qū)儆诤附咏宇^的薄弱部位。

2 焊前預(yù)熱和焊后熱處理在合金鋼焊接工藝中的作用

2.1 合金鋼焊接工藝

第一，選擇焊接材料。根據(jù)強(qiáng)度等級要求選擇合金鋼焊接材料，確保合金鋼母材與熔敷金屬在強(qiáng)度等級上具有一致性。

第二，預(yù)熱。避免裂紋出現(xiàn)的關(guān)鍵措施之一是預(yù)熱。此外，預(yù)熱還能實現(xiàn)接頭性能的改善。但是預(yù)熱會導(dǎo)致勞動條件惡化，增加生產(chǎn)供電復(fù)雜性。當(dāng)預(yù)熱溫度過高時，還會導(dǎo)致接頭韌性降低。因此，在確定焊前是否需要預(yù)熱、焊前預(yù)熱溫度時，應(yīng)當(dāng)綜合考慮鋼材成分、結(jié)構(gòu)形狀、厚度、剛度和環(huán)境溫度等多方面因素。例如，選用厚度≥6mm的12Cr1MoV鋼時，其焊前預(yù)熱溫度及層間溫度應(yīng)控制在200～300℃；選用厚度≥15mm的15CrMo鋼時，其焊前預(yù)熱溫度應(yīng)控制在150～200℃，層間溫度應(yīng)控制在150～400℃。

第三，選擇焊接線能量。在焊接碳含量較低的熱軋鋼、16Mn鋼時，由于上述鋼材的脆化傾向、淬硬傾向及冷裂傾向偏低，因此對焊接線能量要求不高。在焊接15CrMo鋼時，其C含量為0.14%，含量較低，但能提高強(qiáng)度；含有的合金元素Cr、Mo，能阻礙相變時碳化物的形核長大，從而有效推遲珠光體轉(zhuǎn)變，增加奧氏體的穩(wěn)定性，提高鋼的淬透性。所以焊接時應(yīng)選擇比較小的焊接線能量，以減小焊接應(yīng)力及焊接過熱區(qū)寬度，細(xì)化晶粒，提高焊縫金屬抗裂性能。

第四，處理后熱與焊后熱。例如，12Cr1MoV鋼在焊接完成后立即加熱焊件，確保其溫度達(dá)到720～750℃并參考鋼材厚度調(diào)整恒溫時間，確保接頭內(nèi)部的氫擴(kuò)散出來，以免出現(xiàn)延遲裂紋，這就是后熱處理。當(dāng)焊接結(jié)構(gòu)剛性高、容器壁較厚，或者需要在腐蝕性、低溫條件下工作時，焊接完成后須立即高溫回火，確保焊接殘余應(yīng)力完全消除，對焊接件組織進(jìn)行改善。對于焊接完成后需要馬上高溫回火的構(gòu)件，不必進(jìn)行后熱處理。

2.2 焊前預(yù)熱的主要作用

第一，焊前預(yù)熱能夠減緩焊后冷卻速度，便于迅速逸出焊縫金屬中的擴(kuò)散氫，防止裂紋產(chǎn)生。此外，在經(jīng)過焊前預(yù)熱處理后，熱影響區(qū)及焊縫的淬硬程度會有所降低，焊接接頭的抗裂性能相應(yīng)提高。

第二，焊前預(yù)熱能夠?qū)崿F(xiàn)焊接應(yīng)力的降低。對焊件進(jìn)行局部或者整體的均勻預(yù)熱，被焊工件與焊接區(qū)域之間的溫度差會減少，這不僅能夠?qū)崿F(xiàn)焊接應(yīng)力的降低，還能實現(xiàn)焊接應(yīng)變速率的降低，對于焊接裂紋進(jìn)行有效的控制。

第三，焊前預(yù)熱能夠?qū)崿F(xiàn)焊接結(jié)構(gòu)拘束度的降低，尤其是角接接頭的拘束度。裂紋發(fā)生率會隨著預(yù)熱溫度的提高而降低。

值得注意的是，在選擇預(yù)熱溫度、層間溫度時，不但要考慮鋼材及焊條的化學(xué)成分，還要對焊接結(jié)構(gòu)的剛性、環(huán)境溫度以及焊接方法加以開裂。此外，要想實現(xiàn)焊接應(yīng)力的降低，應(yīng)當(dāng)確保焊縫區(qū)域、鋼材板厚方向的預(yù)熱溫度均勻?？紤]到被焊工件的拘束度，在此基礎(chǔ)上確定局部預(yù)熱寬度，通常為焊縫區(qū)域周邊壁厚3倍，并且控制在150～200mm左右。在預(yù)熱不均勻的條件下，焊接應(yīng)力可能會出現(xiàn)不降反增的情況。

2.3 焊后熱處理的主要作用

焊后熱處理主要有消氫、消除焊接應(yīng)力、改善焊縫組織及綜合性能這三個目的。

第一，消氫。在焊接結(jié)束、焊縫溫度尚在 100℃以上時，對焊件進(jìn)行低溫?zé)崽幚?，這就是焊后消氫處理。此時加熱溫度通?？刂圃?00～350℃，時間為2～6h。其主要目的是提高焊縫、熱影響區(qū)中擴(kuò)散氫的逸出速度，避免低合金鋼在焊接過程中出現(xiàn)裂紋。

第二，消除焊接應(yīng)力。在構(gòu)件焊接結(jié)束后經(jīng)常會出現(xiàn)焊接應(yīng)力，其主要原因包括構(gòu)件自身拘束力、外部施加的拘束力、焊接過程中的加熱與冷卻不夠均勻等。如果構(gòu)件內(nèi)部存在焊接應(yīng)力，接頭部位的承載力就會下降，很容易出現(xiàn)塑性變形，甚至破壞構(gòu)件結(jié)構(gòu)。

第三，消應(yīng)力熱處理。在焊接完成后，通過高溫作用降低構(gòu)件的屈服強(qiáng)度，從而對構(gòu)件內(nèi)部的焊接應(yīng)力起松弛作用，這就是消應(yīng)力熱處理。其主要方法有以下兩種：第一，整體高溫回火。在加熱爐中放入整體構(gòu)件，對其進(jìn)行緩慢、均勻加熱，并保持一段時間的溫度，然后放入空氣中或者在爐內(nèi)進(jìn)行冷卻，從而將構(gòu)件內(nèi)部80%～90%的焊接應(yīng)力消除；第二，局部高溫回火。只加熱焊縫部位，之后將其緩慢冷卻，從而實現(xiàn)焊接應(yīng)力峰值的降低，確保構(gòu)件應(yīng)力分布均勻，對部分焊接應(yīng)力進(jìn)行消除。

3 結(jié)語

綜上所述，合金材料具備抗高壓高溫、耐磨損、耐腐蝕等諸多性能，在電力、建筑及石油化工等多個行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。合金鋼焊接工藝對焊接質(zhì)量有直接影響，尤其是焊前預(yù)熱和焊后熱處理這兩個環(huán)節(jié)。因此，焊接人員應(yīng)當(dāng)認(rèn)真研究影響合金鋼焊接質(zhì)量的各類因素，并采取有效措施進(jìn)行解決，嚴(yán)格按照規(guī)范要求開展焊接工作，做好焊前預(yù)熱及焊后熱處理工作，以此實現(xiàn)焊縫組織及綜合性能的改善，不斷提高合金鋼焊接工藝水平，切實保障合金鋼材料質(zhì)量。