四、焊接熱處理

熱處理是通過加熱和冷卻固態(tài)金屬的操作方法來改變其內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)，并獲得所需金屬的物理、化學(xué)和力學(xué)性能的一種工藝。

熱處理一般由加熱、保溫和冷卻三階段組成。熱處理工藝是通過確定加熱溫度、保溫時(shí)間和冷卻介質(zhì)等參數(shù)，來達(dá)到改善材料性能的目的。

安裝工程施工中，常遇到的熱處理是指焊接接頭部位的熱處理，包括設(shè)備、構(gòu)件全部焊接接頭同時(shí)進(jìn)行的熱處理。

焊接熱源的高溫區(qū)不僅使被焊接金屬熔化，而且使熔池接鄰的母材都受到了熱作用的影響(稱為熱影響區(qū)或近縫區(qū))。焊接接頭包括焊縫及熱影響區(qū)。在焊接條件下，金屬被加熱的速度要快得多，其間金屬內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)來不及全部轉(zhuǎn)化(即對(duì)碳素鋼奧氏體的轉(zhuǎn)化和碳化物熔解過程不充分)。以致影響冷卻過程中接頭處的組織與性能，也影響了設(shè)備、構(gòu)件的使用性能等。如焊接部位常出現(xiàn)脆性破壞、延遲裂紋、應(yīng)力腐蝕和氫腐蝕等。因此需要通過熱處理工藝來使焊接殘余應(yīng)力松弛、淬硬區(qū)軟化，改善內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)，降低氫量，提高耐腐蝕性、沖擊韌性、蠕變極限等。

(一)常用熱處理方法

安裝工程施工中的熱處理一般分為焊前預(yù)熱和焊后熱處理兩部分。

1.焊前預(yù)熱

預(yù)熱可防止或減少應(yīng)力的產(chǎn)生。對(duì)于焊接某些重要構(gòu)件，如高壓厚壁容器或塑性較差以及淬火傾向很強(qiáng)的焊件，都要進(jìn)行焊前預(yù)熱，以防止焊接過程中產(chǎn)生裂紋。預(yù)熱的作用在于提高焊接接頭溫度，減少焊縫金屬與母材間的溫差，降低焊縫冷卻速度，控制鋼材組織轉(zhuǎn)變，避免在熱影響區(qū)中形成脆性馬氏體，減輕局部硬化，改善焊縫質(zhì)量，同時(shí)由于預(yù)熱減緩熔池冷卻速度，有利于排氣、排渣，故可減少氣孔、夾渣等缺陷。

焊件是否需要預(yù)熱以及預(yù)熱的溫度，應(yīng)根據(jù)鋼材的化學(xué)成分、板厚、容器的結(jié)構(gòu)剛性、焊接形式、焊接方法和焊接材料及環(huán)境溫度等綜合考慮。具體情況可參照有關(guān)規(guī)范。通常情況下，當(dāng)環(huán)境溫度低于0℃時(shí)，一般除有色金屬外都應(yīng)進(jìn)行適當(dāng)預(yù)熱。對(duì)35、45 鋼預(yù)熱溫度可選用150?250°C;含碳量再增高或工件剛性很大時(shí)，可將預(yù)熱溫度提高到 250?400°C;局部預(yù)熱的加熱范圍為焊口兩側(cè)150?200mm。對(duì)黃銅焊接時(shí)，當(dāng)壁厚為 5?15mm，其預(yù)熱溫度為400?500°C ;壁厚大于15mm時(shí)，預(yù)熱溫度升局到550°C。

2.焊后熱處理

焊后熱處理應(yīng)在外觀檢查和規(guī)定的無損檢測(cè)合格后進(jìn)行，對(duì)容易產(chǎn)生焊接延遲裂紋的鋼材，焊后應(yīng)及時(shí)進(jìn)行焊后熱處理。焊后熱處理主要有退火、回火、正火及淬火工藝。

(1)鋼的退火工藝。

根據(jù)鋼材的加熱溫度、保持時(shí)間及冷卻狀況可分為完全退火、術(shù)完全退火、去應(yīng)力退火二種。

1)完全退火。完全退火是將鋼件加熱到臨界點(diǎn)(對(duì)亞共析鋼而言，是指珠光體全部轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體、過剩相鐵素體也完全消失的溫度)以上的適當(dāng)溫度，在爐內(nèi)保溫緩慢冷卻的工藝方法。其目的是細(xì)化組織、降低硬度、改善加工性能去除內(nèi)應(yīng)力。完全退火適用于中碳鋼和中碳合金鋼的鑄、焊、乳制件等。

2)不完全退火。不完全退火是將鋼件加熱到臨界點(diǎn)Ac1?Ac3或Acm(Acl是指碳素鋼加熱時(shí)，珠光體開始轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體的溫度，Acm是指過共析鋼中，珠光體完全轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體、過剩相滲碳體也全部溶解的溫度)之間的適當(dāng)溫度，保溫后緩慢冷卻的工藝方法。其目的是降低硬度、改善切削加工性能、消除內(nèi)應(yīng)力。常用于工具鋼工件的退火。

3)去應(yīng)力退火。去應(yīng)力退火是將鋼件加熱到臨界點(diǎn)下的適當(dāng)溫度，保持一定時(shí)間后緩慢冷卻的方法。其目的是為了去除由于形變加工、機(jī)械加工、鑄造、鍛造、熱處理及焊接等過程中的殘余應(yīng)力。對(duì)于焊接鋼件，一般加熱溫度為500?550°C。保溫時(shí)間為2?4h。

(2)鋼的正火工藝。

正火是將鋼件加熱到臨界點(diǎn)Ac3或Acm以上的適當(dāng)溫度，保持一定時(shí)間后在空氣中冷卻，得到珠光體基體組織的熱處理工藝。其目的是消除應(yīng)力、細(xì)化組織、改善切削加工性能及淬火前的預(yù)熱處理，也是某些結(jié)構(gòu)件的最終熱處理。

正火較退火的冷卻速度快，過冷度較大，其得到的組織結(jié)構(gòu)不同于退火，性能也不同，如經(jīng)正火處理的工件其強(qiáng)度、硬度、韌性較退火為高，而且生產(chǎn)周期短，能量耗費(fèi)少，故在可能情況下，應(yīng)優(yōu)先考慮正火處理。

(3)鋼的淬火工藝。

淬火是將鋼奧氏體化后以適當(dāng)?shù)睦鋮s速度冷卻，使工件在橫截面內(nèi)全部或一定范圍內(nèi)發(fā)生馬氏體不穩(wěn)定組織結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的熱處理工藝。其目的是為了提高鋼件的硬度、強(qiáng)度和耐磨性，多用于各種工模具、軸承、零件等。

(4)鋼的回火工藝。

回火是將經(jīng)過淬火的工件加熱到臨界點(diǎn)Acl以下的適當(dāng)溫度，保持一定時(shí)間，隨后用符合要求方式冷卻，以獲得所需的組織結(jié)構(gòu)和性能。其目的是調(diào)整工件的強(qiáng)度、硬度、韌性等力學(xué)性能，降低或消除應(yīng)力，避免變形、開裂，并保持使用過程中的尺寸穩(wěn)定。

回火按不同的加熱溫度可分為：

1)低溫回火。將鋼件加熱到150?250°C回火，穩(wěn)定組織，以得到高的硬度與耐磨性，降低內(nèi)應(yīng)力及脆性。主要用于各種高碳鋼的切削工具、模具、滾動(dòng)軸承等的回火處理。

2)中溫回火。將鋼件加熱到250?500°C回火，使工件得到好的彈性、靭性及相應(yīng)的硬度，一般適用于中等硬度的零件、彈簧等。

3)高溫回火。將鋼件加熱到500?700°C回火，即調(diào)質(zhì)處理，因此可獲得較高的力學(xué)性能，如高強(qiáng)度、彈性極限和較高的韌性。主要用于重要結(jié)構(gòu)零件。鋼經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后不僅強(qiáng)度較高，而且塑性、韌性更顯著超過正火處理的情況。

3.熱處理方法的選擇

焊后熱處理一般選用單一高溫回火或正火加高溫回火處理。對(duì)于氣焊焊口采用正火加 高溫回火處理。這是因?yàn)闅夂傅暮缚p及熱影響區(qū)的晶粒粗大，需細(xì)化晶粒，故采用正火處理。然而單一的正火不能消除殘余應(yīng)力，故需再加高溫回火，以消除應(yīng)力。單一的中溫回火只適用于工地拼裝的大型普通低碳鋼容器的組裝焊縫，其目的是為了達(dá)到部分消除殘余 應(yīng)力和去氫。絕大多數(shù)場(chǎng)合是選用單一的高溫回火。高溫回火溫度范圍為500?780°C (一般要求不超過800°C)。

(二)焊后熱處理的加熱方法

1.感應(yīng)加熱

鋼材在交變磁場(chǎng)中產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)，因渦流和磁滯作用使鋼材發(fā)熱，即感應(yīng)加熱。

現(xiàn)在工程上多采用設(shè)備簡單的工頻感應(yīng)加熱，其中中頻感應(yīng)加熱有效率高、省電、升溫速度快、調(diào)節(jié)方便、無剩磁等優(yōu)點(diǎn)，但設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高、維護(hù)困難。

2.輻射加熱

輻射加熱由熱源把熱量輻射到金屬表面，苒由金屬表面把熱量向其他方向傳導(dǎo)。所以，輻射加熱溫度差別大，其加熱效果較感應(yīng)加熱差。輻射加熱常用火焰加熱法、電阻爐加熱法、紅外線加熱法。

工程上常采用氧和乙炔氣燃燒產(chǎn)生的高溫作為局部焊后熱處理方法，采用柴油加熱內(nèi) 燃法作為焊后整體熱處理方法。采用以上火焰加熱方法，雖然熱量損失大，溫度難以控制，但不需專門設(shè)備。為了達(dá)到熱處理的目的，?？捎帽夭牧线M(jìn)行保溫，同時(shí)在熱處理部位安裝熱電偶加以控制溫度，可獲得較理想的結(jié)果。

電阻爐是目前小管子焊縫熱處理廣泛采用的加熱設(shè)備，雖然加熱效果不及感應(yīng)加熱， 但是結(jié)構(gòu)簡單，使用方便。

紅外線加熱即是把能量轉(zhuǎn)換為波長2?20μm的紅外線形式輻射到焊件上，使焊件表面吸收了紅外線自身發(fā)熱，再把熱量向其他方向傳導(dǎo)。紅外線加熱可適用于各種尺寸、各種形狀的焊接接頭的熱處理，加熱效果僅次于感應(yīng)加熱。

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