预热和焊后热处理

关于预热和焊后热处理，焊接检验员应该了解什么

当焊接某些母材和对于某些使用条件时，可能需要预热和/或焊后热处理。这些类型的热处理非常必要，以确保适当的焊接完整性，并通常会防止或消除焊接完成后的不良特征。任何形式的热处理成本都非常昂贵，因为它需要额外设备、额外时间和额外处理。由于这些原因，只有在仔细考虑热处理可能提供的优势后，才应进行热处理。在某些情况下，热处理是强制性操作（如针对低合金钢的重截面），而在其他情况下，是一项合理的预防措施，以防服务过早失效。

在焊接过程中加入这些热处理有几个原因。我们将考虑一些最常见的原因。

预热

根据 AWS 标准焊接术语和定义，预热是“对母材或基板施加的热量，以达到并保持预热温度”。预热温度由同一文档定义为“在焊接开始前，焊接点周围体积内母材的温度”。在多道焊接中，它也是第二道及后续道次开始前的温度（层间温度）。

如何进行预热

预热可以使用煤气炉、氧燃气火焰、电热毯、感应加热或炉内加热来进行。要获得最佳效果，必须使焊缝周围的加热均匀。强烈、不均匀的加热对延缓冷却作用不大，且可能会产生不利影响，在母材中造成更高的残余应力、变形或不良的冶金变化。

当指定预热时，整个焊缝应通过材料厚度均匀加热到所需的最低温度。为了通过材料厚度获得均匀的温度，我们希望将热源施加到材料表面的一侧，并在另一侧测量材料温度。

当加热和温度测量必须在同一表面进行时，检查员必须确保不仅仅加热材料表面。重要的是，还要确保已将整个材料厚度加热到均匀的温度。

除了设定预热温度外，在某些应用中，可能还需要考虑层间温度限制。该信息应在焊接工艺规范中显示。当指定层间温度时，必须在沉积下一个焊缝之前对焊缝区域进行检查。如果测量的温度超过了焊接过程中指定的最大层间条件，则不得继续焊接。在继续焊接之前，必须允许焊件冷却到指定的层间温度上限。

根据材料的冶金性能和/或期望的焊接部件机械性能，可以出于各种原因评估预热和层间温度。例如，低碳钢（含碳量低，淬透性相对较低）的焊接工艺用于没有特殊服务要求的应用中，可根据材料厚度考虑最低预热和层间温度。

用于有冲击要求的可热处理低合金钢和铬钼钢的焊接工艺通常规定预热和层间温度的最低和最高要求。这些低合金材料具有较高的淬透性，易发生氢裂。允许这些材料冷却过快或过热会严重影响其性能要求。在焊接镍合金时，我们主要关注的是焊接过程中的高热量输入。焊接工艺的热量输入以及预热和层间温度会严重影响这些材料。高热量输入会导致过多组分液化、碳化物析出和其他有害冶金现象。这些冶金变化可能会导致开裂或失去抗腐蚀性。一些铝合金（如可热处理、2xxx、6xxx 和 7xxx 系列）的焊接工艺通常涉及整体热量输入减少。使用这些材料，可以控制最大预热和层间温度，以最大限度地减少其退火和过时效对热影响区 (HAZ) 的影响，以及由此造成的拉伸强度损失。

在关键应用中，必须精确控制预热温度。在这些情况下，使用可控制的加热系统，连接热电偶以监控被加热的部分。这些热电偶向控制单元提供信号，控制单元可以调节加热所需的电源。通过使用这种设备，可以控制被加热的部分，使其非常接近公差。

为何需要预热

预热的一些关键原因包括：

a) 使焊接区域保持干燥：为此，通常加热材料的表面，直到达到相对较低的温度，刚好高于水的沸点。这将使板材表面保持干燥并去除不良污染物，否则在焊接工艺中通过引入氢气可能导致气孔、氢脆或开裂。

b) 降低热梯度：所有弧焊工艺都使用高温热源。在局部热源和被焊接的冷母材之间会产生巨大的温差。这种温差会导致焊接区域周围的热膨胀和收缩差异及高应力。通过预热母材来减小温差，可以最大限度地减少与变形和残余应力过大相关的问题。如果不进行预热，焊区和母材之间会产生较大的温差。这可能会导致快速冷却，进而形成马氏体，并可能在焊接一些高淬透性材料时产生裂纹。

焊后热处理

由于不同的原因和不同的材料，采用不同类型的焊后热处理。

a) 消除应力 - 焊后热处理最常用来消除应力。消除应力的目的是，消除焊接操作中可能存在的任何内部或残余应力。焊后应力消除可能很必要，以降低脆性断裂带来的风险，避免后续加工变形，或消除应力腐蚀带来的风险。

b) 获得合适的冶金结构 - 对于某些合金钢，可能需要进行热回火处理以获得合适的冶金结构。这种处理在焊缝冷却后进行，但在某些情况下，可能有必要在焊缝冷却前进行这种处理，以防止开裂。

c) 焊后正火 - 极粗的钢焊接结构（如通过电渣焊接工艺获得的结构）可能需要焊后正火。这一处理将细化粗晶组织，减少焊后应力，并消除热影响区中的任何硬化区。

d) 恢复其原始性能 - 沉淀硬化合金（如可热处理铝合金）有时需要进行焊后热处理，以恢复其原始性能。尽管全固溶热处理和人工时效处理将提供更好的焊后性能恢复，但在某些情况下，只使用时效处理。

当焊接操作涉及预热和/或焊后热处理时，重要的是，焊接检验员理解这些要求，以确保它们按照相关焊接工艺规范和/或规范要求正确地进行。