揭秘金属焊接：预热和热处理对金属力学性能的影响解析

揭秘金属焊接：预热和热处理对金属力学性能的影响解析

金属焊接过程中，预热和热处理是确保焊接质量的关键环节。本文将深入解析焊前预热和焊后热处理的具体作用及其对金属力学性能的影响，帮助读者更好地理解这一重要工艺。

金属在焊接过程中的热加工方法之一。尤其对普通低钢厚板和高碳含量焊板，由于焊接热循环对金属材料的局部受热作用，使其内部组织发生各种变化，直接影响焊接接头的力学性能。

此外，由于冶金条件的改变以及不同的加热、冷却速度都会导致焊缝与热影响区组织不均匀，从而对焊接接头的力学性能产生间接而直接的影响。这样，就有必要在焊前、焊过程中段焊后，对部分或所有焊件，采取加热、保温、控制冷却速度等措施，以改变或改善其力学性能。

因此焊前预热与焊后热处理就很重要了。

焊前预热

焊前预热这件事是针对的碳钢和低合金钢这些钢材的焊接工艺。为什么是这些材料，是因为它们在不同的温度区间会有相变产生。而奥氏体不锈钢就不用预热，也不用焊后热处理，因为它没有相变。相变是啥，就是高温时是一种晶体结构，低温时又是另一种。而不同的晶体结构有不同的组织性能。

焊前预热的主要作用如下：

（1）减缓焊后的冷却速度，含碳高的碳素钢和第合金高强钢，由于焊接时或焊后冷却速度过大，会产生淬硬组织，造成冷裂纹。焊前预热

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）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）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。

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。

简单说，预热就是为了防止冷裂纹的产生，但要明白一点，预热温度的制定是与化学成分，扩散氢含量，焊接热输入，焊接方法，母材厚度和拘束度都有关系的，这是个综合性的因素。不是说我做了焊接工艺评定，定了个预热温度，试验合格了就完事了，不能所有接头都用这个温度。你也许要跟我提什么连续冷却转变温度CCT曲线，这玩意也仅供参考而已，工程上不实用。举个例子，筒体开孔接管插入的焊接，即使是Q235这种低碳钢，在打底焊时就可能会裂，因为拘束度高，预热即可预防。

焊后热处理

焊后热处理的目的有三个：消氢、消除焊接应力、改善焊缝组织和综合性能。

（1）焊后消氢处理，消氢法主要应用于高强级低合金钢及大厚度焊接结构。因为氢气在钢中的溶解程度随钢温度的降低而迅速降低，如果焊后很快冷却到100℃以下，则氢气来不及从焊缝中逸出，因此在经过一段时间(几小时、几天甚至更长时间)之后，氢气在热影响区(或焊缝金属)中的扩散会产生很大的压力，从而造成了延迟裂纹。氢处理是为了避免延迟裂纹。

消氢处理又称后热。通常后热值在250-350℃之间，一般情况下，保温时间取决于焊件的厚度，一般为1-3h。对部分低合金高强钢厚壁容器，采用后热300-350℃，保温1h即可完全避免延迟裂纹，可将预热温度降低50℃。

同时，要像预热一样，在坡口两侧保持75-100毫米的局部后热温度。调质钢应防止局部超过回火温度。

（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。

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。

（3）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。

焊接后热处理一般只有在特殊情况下需要重要产品。对于一些焊接产品，焊后残余应力较小或者需要保留部分残余应力(如多层容器包裹层板的焊缝后残余应力)，则无需进行焊后热处理。无淬硬性组织，但仍具有一定的塑性与韧性，在使用中无不良影响，且无需进行焊后热处理。