科普焊接—焊接接头的热处理

热处理是一项既耗时又费钱的操作，它会影响焊接接头的强度和韧性、耐腐蚀性和残余应力水平，所以许多应用规范和标准中要求强制进行热处理。此外，它也是焊接工艺评定标准规范中的一个基本变量。

在讨论金属的热处理之前，要明确焊接接头热处理相关的各种术语的含义。这些术语经常被错误地使用，尤其是非专业人士；对于冶金学专业人士来说，它们是有非常准确的含义。

固溶处理在高温下进行，其目的是将元素和化合物溶解到溶液中，然后对溶液温度快速冷却，过剩相保留在溶液中。这样做可以降低接头的强度或提高其耐腐蚀性。对于某些合金，可随后进行低温热处理，以可控方式（时效或沉淀硬化）获得析出物。

退火将金属加热到高温，进行再结晶和/或相变，然后缓慢冷却，通常在热处理炉中进行。这通常是为了使金属在硬化后软化，例如通过冷加工，使微观结构软化的退火。它还会导致屈服强度和抗拉强度的降低，对于铁素体钢，通常会导致韧性降低。

正火这是一种仅在铁素体钢上进行的热处理。它将钢加热至高于相变温度30-50°C（对于0.20%碳钢，温度约为910°C），并在静止空气中冷却。这会使晶粒尺寸减小，强度和韧性都有所提高。

淬火金属从高温快速冷却。铁素体钢将被加热到高于相变温度，并在水、油或空气中淬火，以产生非常高强度的细晶粒马氏体。钢从不在淬火状态直接使用，它们总是在淬火操作后进行回火。

回火在较低的转变温度下，在铁素体钢上进行的一种热处理；在传统碳钢中，热处理温度在600-650°C之间。它降低了硬度，降低了抗拉强度，提高了延展性和韧性。大多数正火钢在焊接前进行回火，所有淬火钢都在淬火和回火状态下使用。

时效或沉淀硬化一种低温热处理，旨在产生正确尺寸和分布的沉淀物，从而提高屈服强度和抗拉强度。通常先进行固溶热处理。对于钢，温度可能在450-740℃之间，铝合金将在100-200℃之间时效。更长的时间和/或更高的温度会导致析出物尺寸增大，硬度和强度都会降低。

除应力退火顾名思义，这是一种热处理，旨在减少焊接收缩产生的残余应力。它依赖于这样一个基本事实：随着金属温度的升高，屈服强度降低，使得残余应力通过焊缝和母材金属的塑性变形而重新分布。控制从应力释放温度开始的冷却，以避免出现有害的热梯度。

后热处理（消氢处理）焊接完成后立即进行的低温热处理，将加热到100°C，并保持该温度3或4小时。这有助于任何氢在焊接电缆、焊接铜轮、滚焊轮、焊缝或接头外热影响区的扩散，并降低氢致冷裂纹的风险。铁素体钢等对氢非常敏感的接头，仅在氢裂纹倾向非常严重时使用。

焊后热处理（PWHT）那么，“焊后热处理”是什么意思呢？对一些工程师来说，这是一个相当模糊的术语，用来描述焊接完成后进行的任何热处理。然而，对于其他人来说，尤其是那些按照压力容器规范工作的人，如EN 13445或ASME VIII，它具有非常准确的含义。因此，当工程师谈到焊后热处理、退火、回火或除应力时，建议这样做。

焊接后的热处理可根据以下三个基本原因中的一个或多个进行：

— 达到尺寸稳定性，以便在机加工操作或使用中保持公差。

— 生产特定的冶金结构以达到所需的机械性能。

— 通过降低焊接部件中的残余应力来降低使用中出现问题的风险，如应力腐蚀或脆性断裂。

在可焊接的黑色金属和有色金属及合金的范围内，关于热处理的相关问题非常复杂，无法在这些简短文章中详细介绍。后续文章会将重点放在介绍碳钢和低合金钢的焊后热处理上，简要介绍其他形式的热处理。碳钢和低合金钢的焊后热处理主要涉及到两种，首先是应力，其次是微观结构改变或回火。

— 应力去除

为什么要进行降低应力？虽然热处理是一种昂贵工艺。热处理时，需要将部分或全部焊接件加热到高温，并且可能导致某些合金出现不希望的冶金变化。如上所述，可能有一个或多个原因，rang 我们须进行热处理。焊接接头中的高残余应力可能导致在加工或投入使用时超出可接受尺寸的变形。碳钢和低合金钢中的高残余应力为裂纹扩展提供了驱动力，从而增加了脆性断裂的风险。残余应力会导致应力腐蚀开裂，例如腐蚀性环境中的碳钢和低合金钢，或暴露于氯化物中的不锈钢。

是什么导致了这些高残余应力？焊接是在两个基本上冷的母材表面之间熔敷金属。当接头冷却时，焊缝金属收缩，但受到两侧冷金属的约束；因此，残留在接头中应力随着温度的降低而增加。当应力达到足够高的值（该温度下的屈服点或证明强度）时，金属通过蠕变机制发生塑性变形，以便接头中的应力与屈服强度相匹配。随着温度持续下降，屈服强度增加，阻碍变形。

为了减少这种高水平的残余应力，部件被重新加热到足够高的温度。随着温度的升高，强度下降，允许发生变形，残余应力减小，直到达到可接受的水平。部件将在该温度下保持一段时间，直到达到稳定状态，然后冷却到室温。

对于碳锰钢，600℃左右时残余应力下降，但高强度抗蠕变钢在400℃以上残余应力开始下降。在温度超过500℃之前，不锈钢几乎不会受到影响。因此，各种合金都有一个保温温度范围，以在不影响接头机械性能的情况下对残余应力去除。在碳锰钢中，该温度通常在550-620℃之间，在抗蠕变钢中在650-750℃之间，对于不锈钢，温度在800-850℃之间。