四、预热和焊后热处理

1.理论基础
        预热和焊后热处理是两个不同的作业，目的也不同，预热主要为了防止产生冷裂纹和降低焊接应力，而焊后热处理则是为了改善焊接接头的金属组织和力学性能，或消除残余应力。但两者又有一定的联系，一个是它们都与焊接热循环有因果关系，另一个是它们与材料的化学成分有关。
        现根据焊接冶金和金属学，对这种因果关系和影响因素作简要说明。
（1）焊接热循环
        在焊接热源（例如焊条所产生的电弧热）作用下，焊件上某点的温度随时间变化的过程称为焊接热循环。这个过程有四个参数，即：加热速度、峰值温度、在相变温度以上的停留时间、冷却速度。现将峰值温度和冷却速度与预热和焊后热处理的关系作简要说明。
a.峰值温度
        峰值温度的含义为：焊接接头各部位的最高温度，熔合区最高，约1350℃～1300℃，热影响区则逐步降低，约1200℃～600℃，从而造成以下两个问题.：
        （a）冷却后各部位的金属组织和性能不同，有的是马氏体，有一部分是残余奥氏体，为了得到较好的综合力学性能，需进行高温回火。
        （b）各部位峰值温度不同和热传导所形成的温度场，在焊件内产生热应力。与管道的热胀冷缩相比，焊接时的温度场要复杂得多。
b.冷却速度
        为防止产生冷裂纹，在焊接热循环方面要控制两个冷却速度：
        （a）奥氏体转变阶段的冷却速度，通常用800℃冷却到500℃的时间来表示，这个时间间隔越长，转变后的组织为珠光体，反之，就会产生马氏体淬硬组织，降低焊接接头的抗裂性能。
        （b）熔池中氢逸出阶段的冷却速度，通常用熔敷金属凝固时的最高温度冷却到100℃的时间来表示，这个时间越长，大部分氢已在较高的温度下从焊缝金属中逸入大气，残留在焊缝金属中的扩散氢含量很少，对焊接接头塑性的影响很小。
（2）化学成分
a.材料分类
        材料的化学成分除了影响力学和工艺性能外，对焊接性能也有很大影响，主要为材料的淬硬倾向。
        材料化学成分与焊接性能的关系，通常用反映材料对冷裂纹敏感性的碳当量来评定，即：把材料中各种合金元素按其对焊接性能的影响换算成碳的含量，并与含碳量相加后得到的一种总含碳量。为了简化，ASME规范用P-No这个分类号来表示材料化学成分与焊接性能的关系。
b.淬硬倾向
        在冷裂纹的影响因素中，除了冷却速度外，还与材料的化学成分有关，碳当量较大的材料，冷却时易产生片状马氏体，它是一种脆硬的金属组织，这种趋势称为材料的淬硬倾向。
（3）钢的相变
a.相
        在金属学中，把同一金属在固态下的不同晶体结构称为同素异构体，把具有一定化学成分和晶体结构并由界面分开的金属组织称为相。同素异构体与相是两个有联系的不同概念。
        在一定条件（温度、浓度）下，某一种相会转变为另一种相，称为相变，产生这种相变的温度称为相变温度。
        铁的同素异构体有两种，一个是晶体结构为体心立方晶格的α-铁，另一个是面心立方晶格的γ-铁。
        钢作为一种铁碳合金，有三种基本的相：
        （a）奥氏体：碳溶于γ-铁的固溶体，通常称为γ相，金属组织全部为γ相的温度区间称为γ相区；
        （b）铁素体：碳溶于α-铁的固溶体，通常称为α相；
        （c）渗碳体：碳与铁以化合物（Fe3 C）形式组成的一种晶体结构。
        钢的相变有两种基本形式，一种是加热时的奥氏体化，另一种是冷却时奥氏体的转变。
b.加热时的相变
        珠光体在加热到某一温度（约727℃）以上时会发生相变，该温度称为平衡共析温度A1，这个过程称为奥氏体化，共三个阶段：
        （a）奥氏体形成：在铁素体与渗碳体的界面上生成奥氏体晶核，此时钢的体积会膨胀。实际加热时珠光体转变为奥氏体的开始温度称为下转变温度，用符号Ac1表示。
        （b）奥氏体晶粒长大：奥氏体晶核分别向与铁素体和渗碳体的界面扩展，形成奥氏体晶粒并继续长大。
        （c）铁素体和渗碳体的消失：温度继续升高时，由于分解和扩散作用，铁素体和渗碳体会全部转变为奥氏体，转变终了时的温度称为上转变温度，用符号Ac3表示。此时钢的体积不再膨胀。
        Ac1与Ac3间的温度区间称为临界区（inter critical zone）。
        根据这种体积膨胀的特点，可用膨胀仪测得钢的Ac1和Ac3。现将《机电工程金属材料手册》中几种锅炉常用牌号的相变温度引用于表4-2以见其一斑。
        表4-2常用牌号的相变温度 ℃

c.冷却时的相变
        将奥氏体由A1冷却到某一转变温度T，在此恒定温度下经时间间隔为t的孕育期，奥氏体会发生转变，A1-T称为过冷度，（A1-T）/ t称为冷却速度。
        奥氏体冷却时转变所得到的金属组织主要有两种，即珠光体和马氏体。
        （a）珠光体：在较高的转变温度（约650℃～550℃）下经等温转变，成为铁素体和渗碳体的机械混合物，称为珠光体。
        （b）马氏体：以较大的冷却速度冷却到较低的转变温度（约300℃上下）会转变为马氏体。马氏体与铁素体一样，也是碳在α-铁中的固溶体，不同的是：马氏体中，碳在α-铁中是过饱和的，而铁素体中碳的溶解度极低。
        奥氏体转变为马氏体所需要的最小冷却速度称为临界速度。
（4）化学成分对相变的影响
        为了正确选用预热和焊后热处理温度，必须了解化学成分对相变的影响，现将有关内容简要说明如下。
a.Ac1和Ac3
        化学成分对相变温度的影响有两方面：
        （a）γ相区：凡扩大γ相区的元素都会使Ac3降低，反之则使Ac3升高。
        （b）A1：凡使Ac3降低的元素也会使A1降低，从而使Ac1降低，反之则使Ac1升高，换言之，某一元素对Ac3和Ac1的影响是同向的。
        可将化学成分按其对Ac1和Ac3的影响分为两类，一类是使Ac1和Ac3降低的元素，主要为C、Mn、Ni，另一类是影响相反的元素，主要为Si、Cr、Mo、V等。
b.马氏体组织
        化学成分对马氏体转变的影响有两方面。
        （a）组织的形态：碳当量较小的钢，所形成马氏体组织的形态基本上是条状的，强度较低而塑性较高，碳当量较大时主要为片状的马氏体，强度高而塑性低。
        （b）临界速度：碳当量较小的钢，由奥氏体转变为马氏体所需的孕育期t较短，亦即临界速度Vc较高，碳当量较大的则Vc较低，亦即只要不大的冷却速度就可以转变为淬硬的马氏体组织。

2.预热
（1）概述（略）
（2）化学成分（略）
（3）拘束度（略）
（4）高温力学性能（略）
（5）厚度（略）

3.焊后热处理
（1）类别
        第Ⅸ卷QW-407对焊后热处理工艺分为以下三类：
（略）
（2）回火（略）
（3）热处理参数
        热处理工艺有两个重要参数，即保温温度和保温时间。GB/T7232《金属热处理工艺术语》对它们给出以下定义：保温温度为工件保持恒温的温度，保温时间为工件在恒定温度下保持的时间。对强制性的回火来说，虽然起主要作用的是保温温度，但保温时间对应力松弛的影响也不容忽视。现将表PW-39中对这两个参数的规定简要说明如下。
a.保温温度
 （略）
b.保温时间
（略）
（4）无强制性要求的焊缝
        表PW-39对受压件的焊后热处理虽然是强制性的，但并非一刀切，而是以表注的形式，说明对不同材料、不同受压件上的不同焊缝，有一些焊缝的焊后热处理是非强制性的，现将这三不同中的主要内容汇总并简要说明如下。
a.对接接头
（略）
b.管接头连接焊缝
 （略）
c.非受压件连接焊缝
 （略）
（5）加热方法
（略）
a.均热带
 （略）
b.分段加热
 （略）
c.局部加热
  （略）

4.我国的规定
        我国在预热和焊后热处理方面与第I卷的主要差别有以下两项：
（1）无强制性焊后热处理要求的焊缝
        第I卷有具体规定，使用较便，例如满足规定条件的环缝、管接头连接焊缝等，都是值得借鉴的。在另一方面，同材料的相同焊缝，第I卷对不要求焊后热处理厚度的规定严于我国，对此需进一步分析研究。
（2）加热方法
        第I卷的规定较为具体，特别是建立了均热带这个术语，使各种焊缝的局部热处理都有章可循