浅谈焊前预热和焊后热处理在合金钢焊接工艺中的作用

陆 洋

江苏浩特建设工程有限公司，江苏靖江 214500

将一种或者几种合金元素加入到优质碳素结构钢中，在此基础上制作出来的钢种被称作合金钢。合金元素的添加量应控制在5%以内。合金钢的焊接性主要体现两方面：第一，裂纹敏感性；第二，焊接热影响区的力学性能。近年来，随着科学技术不断进步，冶炼技术得到迅速发展。在合金钢焊接过程中应用微合金钢技术、形变热处理技术、精炼技术以及控轧控冷技术等先进技术，实现了合金钢材料性能及焊接质量的有效提升，有效改善了现代合金钢的焊接性，其主要表现在HAZ冷列裂纹敏感性显著降低，粗晶区韧性明显提高。然而，调查研究显示，目前合金钢焊接工艺仍存在一定不足，特别是焊前预热和焊后热处理环节，需要采取有效措施进行控制[1]。

1 合金钢的特点与焊接性分析

1.1 冷裂纹问题

导致冷裂纹出现的三个基本要素为扩散氢、脆性组织以及残余应力。微合金化技术与TMCP技术在合金钢中的广泛应用，大大降低了合金钢的碳含量与碳当量。在这种情况下，只有当合金钢中含有较高的扩散氢，或者拘束度很大时，才会产生冷裂纹。焊缝金属冷裂纹问题则是需要特别关注的内容。由于合金钢母材强度得以提升、焊接性得以改善，因此原本在焊接热影响区的冷裂纹转移至焊缝。

1.2 热影响区的组织与韧性

当被焊工件受到电弧热作用时，焊缝、融合区以及热影响区三部分焊接共同组成焊接接头，这就是焊接热影响区。第一，焊缝。构件熔化之后形成熔池，在断开热源后，熔化的金属开始冷却、结晶，此时就会出现焊缝。第二，熔合区。合金钢母材和焊缝之间存在一个狭窄区域，这个区域被称为熔合区。当金属处在局部熔化状态时，由于晶粒比较大，金属的韧性会相应降低。因此，熔合区在焊接接头中属于薄弱部位；第三，焊接热影响区。电弧热作用于靠近焊缝部位的母材，从而改变该区域母材的性能、组织等，这部分区域属于焊接热影响区。

1.3 热影响区的组织分布

焊接接头的质量、性能等主要体现在焊接热影响区的组织及性能上，根据组织特点可以将焊接影响区分为以下五个区：正火区、熔合区、部分相变区、过热区以及再结晶区。其中正火区又被称为相变重结晶区。

第一，完全淬火区。在接头焊接过程中，热影响区超过AC3的区域具有较大的淬硬倾向，因此焊接后获取淬火组织，也叫作马氏体。接近焊缝部位的区域晶粒很大，因此其马氏体

也比较粗大，与这部分区域相比，正火区获得的马氏体更细更小。受线能量及冷却速度影响，在焊接过程中可能产生贝氏体，贝氏体和马氏体共同构成混合组织，这部分区域与马氏体具有相同的组织特征，其差异主要体现在马氏体的粗细上，因而将其统一称作完全淬火区。

第二，不完全淬火区。在接头焊接过程中，对于热影响区在AC1～AC3之间的区域，如果对其进行迅速加热，铁素体中融入的奥氏体较少，但是索氏体、贝氏体和珠光体等会转化为奥氏体。在速冷时，奥氏体又会转化为马氏体。在这一过程中，原铁素体仅不会产生变化，仅存在不同程度的长大现象，最终构成马氏体-铁素体组织，因此将其称为不完全淬火区。当合金钢中合金元素、碳含量较低，或者冷却速度较慢时，可能会有体素体与索氏体产生[2]。

第三，回火区。焊接之前的母材如果处于调质状态，对于焊接影响区的组织而言，除了有完全淬火区、不完全淬火区以外，还有可能出现程度不同的回火处理，这部分区域被称作回火区，也就是温度在AC1以下的区域。在焊接热循环作用下，合金钢热影响区的组织分部具有不均匀性，过热区、熔合区可能有严重的晶粒粗化现象出现，因此上述区域属于焊接接头的薄弱部位。

2 焊前预热和焊后热处理在合金钢焊接工艺中的作用

2.1 合金钢焊接工艺

第一，选择焊接材料。根据强度等级要求选择合金钢焊接材料，确保合金钢母材与熔敷金属在强度等级上具有一致性。

第二，预热。避免裂纹出现的关键措施之一是预热。此外，预热还能实现接头性能的改善。但是预热会导致劳动条件恶化，增加生产供电复杂性。当预热温度过高时，还会导致接头韧性降低。因此，在确定焊前是否需要预热、焊前预热温度时，应当综合考虑钢材成分、结构形状、厚度、刚度和环境温度等多方面因素。例如，选用厚度≥6mm的12Cr1MoV钢时，其焊前预热温度及层间温度应控制在200～300℃；选用厚度≥15mm的15CrMo钢时，其焊前预热温度应控制在150～200℃，层间温度应控制在150～400℃。

第三，选择焊接线能量。在焊接碳含量较低的热轧钢、16Mn钢时，由于上述钢材的脆化倾向、淬硬倾向及冷裂倾向偏低，因此对焊接线能量要求不高。在焊接15CrMo钢时，其C含量为0.14%，含量较低，但能提高强度；含有的合金元素Cr、Mo，能阻碍相变时碳化物的形核长大，从而有效推迟珠光体转变，增加奥氏体的稳定性，提高钢的淬透性。所以焊接时应选择比较小的焊接线能量，以减小焊接应力及焊接过热区宽度，细化晶粒，提高焊缝金属抗裂性能。

第四，处理后热与焊后热。例如，12Cr1MoV钢在焊接完成后立即加热焊件，确保其温度达到720～750℃并参考钢材厚度调整恒温时间，确保接头内部的氢扩散出来，以免出现延迟裂纹，这就是后热处理。当焊接结构刚性高、容器壁较厚，或者需要在腐蚀性、低温条件下工作时，焊接完成后须立即高温回火，确保焊接残余应力完全消除，对焊接件组织进行改善。对于焊接完成后需要马上高温回火的构件，不必进行后热处理。

2.2 焊前预热的主要作用

第一，焊前预热能够减缓焊后冷却速度，便于迅速逸出焊缝金属中的扩散氢，防止裂纹产生。此外，在经过焊前预热处理后，热影响区及焊缝的淬硬程度会有所降低，焊接接头的抗裂性能相应提高。

第二，焊前预热能够实现焊接应力的降低。对焊件进行局部或者整体的均匀预热，被焊工件与焊接区域之间的温度差会减少，这不仅能够实现焊接应力的降低，还能实现焊接应变速率的降低，对于焊接裂纹进行有效的控制。

第三，焊前预热能够实现焊接结构拘束度的降低，尤其是角接接头的拘束度。裂纹发生率会随着预热温度的提高而降低。

值得注意的是，在选择预热温度、层间温度时，不但要考虑钢材及焊条的化学成分，还要对焊接结构的刚性、环境温度以及焊接方法加以开裂。此外，要想实现焊接应力的降低，应当确保焊缝区域、钢材板厚方向的预热温度均匀。考虑到被焊工件的拘束度，在此基础上确定局部预热宽度，通常为焊缝区域周边壁厚3倍，并且控制在150～200mm左右。在预热不均匀的条件下，焊接应力可能会出现不降反增的情况。

2.3 焊后热处理的主要作用

焊后热处理主要有消氢、消除焊接应力、改善焊缝组织及综合性能这三个目的。

第一，消氢。在焊接结束、焊缝温度尚在 100℃以上时，对焊件进行低温热处理，这就是焊后消氢处理。此时加热温度通常控制在200～350℃，时间为2～6h。其主要目的是提高焊缝、热影响区中扩散氢的逸出速度，避免低合金钢在焊接过程中出现裂纹。

第二，消除焊接应力。在构件焊接结束后经常会出现焊接应力，其主要原因包括构件自身拘束力、外部施加的拘束力、焊接过程中的加热与冷却不够均匀等。如果构件内部存在焊接应力，接头部位的承载力就会下降，很容易出现塑性变形，甚至破坏构件结构。

第三，消应力热处理。在焊接完成后，通过高温作用降低构件的屈服强度，从而对构件内部的焊接应力起松弛作用，这就是消应力热处理。其主要方法有以下两种：第一，整体高温回火。在加热炉中放入整体构件，对其进行缓慢、均匀加热，并保持一段时间的温度，然后放入空气中或者在炉内进行冷却，从而将构件内部80%～90%的焊接应力消除；第二，局部高温回火。只加热焊缝部位，之后将其缓慢冷却，从而实现焊接应力峰值的降低，确保构件应力分布均匀，对部分焊接应力进行消除。

3 结语

综上所述，合金材料具备抗高压高温、耐磨损、耐腐蚀等诸多性能，在电力、建筑及石油化工等多个行业中得到广泛应用。合金钢焊接工艺对焊接质量有直接影响，尤其是焊前预热和焊后热处理这两个环节。因此，焊接人员应当认真研究影响合金钢焊接质量的各类因素，并采取有效措施进行解决，严格按照规范要求开展焊接工作，做好焊前预热及焊后热处理工作，以此实现焊缝组织及综合性能的改善，不断提高合金钢焊接工艺水平，切实保障合金钢材料质量。