谈谈钢铁材料的焊后热处理(上)

焊后热处理

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谈谈钢铁材料的焊后热处理北机局工学 (∞7京械职大 12 O )塞望焊后热处理 ( WHT)已形成专门的术语。广义 P现地说，应是焊接后的改善焊件土焊接接头的组织与性：能所进行的局部戒整体的热处理工序。由于金属结构在焊接后产生较大的焊接应力，常在焊接后进行去应力遇火，因此，人们往往把焊后热处理作为去应力退火的同义语来对待，这是可以理解的。实际上，去应力退火在焊接结构生产中，是应用最广茬、也是最重要的焊后热处理工序。 国内外对焊后热处理均有一些规定的标准，本文不想就此进行讨论，只从金属热处理角度出发，结合熔焊时的热过程，着重分析钢铁材料焊后热处理的一些特点。一

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1 .热作用的局部性

熔焊时的加热是局部加热，因而，不可避免地在焊件上存在着温度梯度，产生由热源向周围的热量传播，形成不均匀的温度场，使焊件产生不均匀的应力和应变，以及不均匀的组织和性能。 2 .热作用的瞬时性和不穗定性 在焊接时，热源是以一定的速度移动的，当热源抵达某一位置时，由于热能的高度集中，使焊件迅速加热熔化，达到很高的过热状态而当热源连渐移去时，便以根高的速度冷却凝固。因此，传热过程始终处干变化状态，是很不稳定的，产生不同干铸造的很不完垒的冶金物理化学反应。这一过程的进行，将对焊接接头的成分、组织和性能产生重大的影响。

焊后热处理的基本目的

金属熔焊时，由于合金元素的烧损，有害杂质的增加，使焊缝金属的成分发生变化，很难做到和母材相同。即使相同，由于容易产生各种焊接缺陷，也难以达到与母材同一的性能。此外，在毗邻焊缝的母材中 (影响区)热，在焊接热作用下，也常常使原已是优质的母材性能恶化 (化、硬化、软化等 )特别脆。是在焊缝与母材的交界部位 (常称为熔合区)通，存在着显著的物理化学不均匀性，以及严重的应力集中，因此，往往成为整个焊接接头的薄弱地带。所以，在一定的焊接工艺条件

下，即使选用优质的母材，也未必能得到优质的焊接接头。 尽管如此，在多数情况下，如果母材的焊接性良好，通过控{焊接基本工艺参数，在焊态下，还是能 5|获得满足使用要求的焊接接头的。但是，对于某些要求较高的重要焊接结构，倜如，厚壁结构的高强台金钢焊件，除了控{常规的工艺参数外，还必须采用预 5|

三、焊态下焊接接头的组织缺陷夏其对性能的影响焊态指焊接过程刚刚结束还未经任何处理的状态。焊接接头指的是整个焊接区域，由焊缝、熔台区及热影响区组成。1 .焊缝柱状晶的形成

熔台区

当熔池凝固成焊缝后，焊缝的结晶形态主要是柱状晶，以及少量

的等轴晶 (图 )见，逸就是焊缝金属的一次结熔合医母材晶粒表面晶组织。粗大的柱状晶 E成长的桂状晶 不但降低焊缝的强度， 而且也降低焊缝的韧性。通过采用向焊缝中舔加某些

热、后热或焊后热处理等工艺措施，才能确保获得符合使用要求的焊接质量。 选样看来，焊后热处理所起的作用应是很明确的，即主要用于}

台垒元素的变质处理、多层焊接、焊后热处理以及锤击焊道表面等方法可细化晶粒，改善一次结晶状况。 2 .臆弱的熔台区焊缝与母材的交界部位就是熔台区。 熔合区存在严重的化学不均匀性，特别是杂质元素 c、 S P的严重偏析，必然影响捌这个区域的组、织与性能。

( )改善焊接接头的组织与性能。 1 ( )消除焊接应力。 2 ( )消除某些焊接缺陷。 3

二、金属熔焊时传热过程的特点金属熔焊时，焊接接头的形成，实际上是在热源的作用下，热量传播的过程。进一过程是很复杂的， 其特点主要表现在以下两方面。·

熔台区还存在物理不均匀性。在焊接时，这个地区冷却速度很大，因此，形成大量的晶格缺陷 (空位和位错 )在高温和应力作用下，报可能是焊接接头，形成延迟裂纹的根源。 此外，熔合区力学性能 (如屈服强度等 )显均例{不匀，因而起较大的残余应力。

可见，熔舍区是整个焊接接头中的薄弱地带，许

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多焊接

结构的破坏事故，常常是由熔舍区的某些缺陷引起的。 3 .过热组织的存在过热组织的特征就是晶粒严重粗化。在熔焊条件下，过热组织不仅出现在焊缝，而且，在毗邻焊缝的热影响区母材一侧也同样存在。 焊缝金属一次结晶后，随着冷却过程的进行，将 进一步组织转变，这就是焊缝金属的二次结晶。例如低碳钢，二次结晶后，其组织主要是铁素体加少量珠光体铁素体一般都是}着原奥氏体的晶面，以柱状凸晶向焊缝中心成长，晶粒比较粗大，往往出现魏氏体组织。

在焊态下，由于冷却速度较大，往往出现马氏体组织。

马氏体有两种类型，一种是低碳马氏体，又称扳

条马氏体，因其亚结构存在着许多位错，故又称之为位错马氏体。焊接用钢大部分是低碳钢或低碳低舍垒强度钢，焊接时，在焊缝及热影响区内常形成低碳马氏体。低碳马氏体具有良好的强韧性，硬度高而不脆。另一种则是高碳马氏体，又称片状马氏体。因其

亚结构存在着许多细小平行的孪晶带，故又称孪晶马氏体。对于碳和台盒元素含量较高的易淬火钢，例如中碳调质钢等，在焊态下，在焊缝及热影响区内常出现高碳马氏体组织。选种组织的出现，使焊接接头的韧性显著降低。6 .热影响区的软化现象

魏氏体组织是由于过热而使奥氏体晶粒粗大，在定的冷却速度下形成的。对于亚共析碳钢，魏氏体组织是一种具有一定位向的针片状先共折铁素体。熔一

在焊接预先经过调质处理的高强钢和具有沉淀强化及弥数强化的台盒 (例如镍舍金、铝合金及钛合金等 )时，热影响区将产生不同程度的软化现象。其软化程度与母材焊前的热处理状态有关，例如调质钢， 母材焊前调质处理的回火温度越低，则焊后软化越严重实验表明，软化最明显的部位是热影响区中处于 A~A.间的两相区的地带，此时，强度、硬度都 之较低。对于强化台金，剐主要是过时效软化，即强化相在一定温度以上，就逐步脱溶析出平衡相，井恢复到固溶体的软化状态。温度再升高，析出相将遥新溶人固溶体，强化效果消失，产生过时效。 软化将严重降低结构的力

学性能和承载能力。 7奥氏体不锈钢的昌间腐蚀现象 .在焊接奥氏体不锈钢时，晕容易出现晶间腐蚀现象。晶何腐蚀既可以出现在焊缝，也可以出现在母材热影响区中。 晶间腐蚀与碳化物相 Cr的沉淀有关。由于 C碳在奥氏体中的溶解度有限，在焊志下，焊接接头内 处于固溶状志的奥氏体，当冷到 4 0 8 O 5 - 5℃温度范围 (所谓敏化区 )时，由于碳的扩散速度大于 Cr即 的扩散速度，造成 Cr C6晶界附近沉淀，导致基”在体局部贫铬。超过 8 O时， Cr,将溶人奥氏体， 5℃ 2 C6 而低干 40 5℃时，因难干扩散而不会有 Cr C6￣沉淀。由于奥氏体晶界附近局部贫铬，降低了基体的电极电位，当接触腐蚀介质时，就会产生晶间腐蚀现象。如果腐蚀发生在熔合线附近，腐蚀后形如刀切， 剐一般称为刀状腐蚀。 晕易形成晶问腐蚀的温度范围 (化温度 )是敏 4 0 8 0,其中尤以 6 o为最危险。但在焊志 5- 5℃ 5℃下，由于冷却速度较快，一般敏化温度都偏高，约6 0 10 0~ 0 0℃

焊时，在低碳钢和某些低合金钢的焊缝中，以厦热影 响区 ( HAz)的过热区，均符合魏氏体组织的形成条件，这种组织明显降低焊接接头的冲击韧度。采用小能量多屠焊，有助于防止或削弱魏氏体组织的形成，焊后热处理也有利于消除过热组织。 对于含有第二相质点 (氮化物、碳化物、碳氮化 物)细化晶粒的钢，在过热区，由于第二相质点的固溶而使得晶粒异常粗化，导致脆化和形成裂纹。 4 .上贝氏体和粒状贝氏体等脆性相的产生贝氏体种类报多，经常出现的有上贝氏体、下贝氏体和粒状贝氏体。 上贝氏体是在较高温度下转变而成的，是由大致相互平行的板条状铁素体和中问分布着的断续的细杆 状渗碳体组成，在光学显微镜下观寨，呈羽毛状。由于它的转变温度高，碳化物粗大，特别是碳化物册平行的铁素体条分布，裂纹很易}这个方向扩展，因凸此，强度低、韧性很差。 下贝氏体形成的温度较低，其组织特征为在针状铁素体片内，断续分布着与铁素体针长轴大致成

5 5。~6 0。夹角的细小碳化物，下贝氏体具有良好的强韧性。 粒状贝氏体的形成温度约在上贝氏体的形成温度范围的上部在电镜下观寨，粒状贝氏体是由块状铁素体和富碳的奥氏体组成。选种富碳奥氏体常以小岛状或小河状分布在块状铁素体基底上，一般形状根不规则，若合金化程度较高，冷却条件有利时，富碳奥氏体岛进一l转变，形成富碳的马氏体和残余奥氏步体，即 M— A组元。这种在块状铁素体基底上分布有 M— 组元的组织称为粒状贝氏体，多数研究认 A为 M— A组元对韧性是报不利的。 焊态下，在一定的化学成分和冷却条件下，上贝氏体和粒状贝氏体既可出现在焊缝内，也可产生在热影响区中。 5 .形成硬赡的马氏体组织

降低钢的含碳量，加人 T、 bb等稳定荆元素， i i

以及控制基体组织为含有少量铁素体的双相组织均有助于消除或减轻晶间腐蚀现象。f9 4 9 8 l900 )·

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