预热、层间温度和焊后热处理指导意见优化

和焊接结构钢相似，为了避免氢致裂纹，要求谨慎地进行预热和控制层间温度。对于碳的质量分数小于0.06%的马氏体不锈钢（例如410NiMo，CA-6NM和超级马氏体不锈钢），当厚度小时可以不要求特殊的预热和层间温度控制，而当厚度大于12mm（0.5in）时，则要求最低120℃（250°F）的预热和层间温度。对于碳的质量分数在0.06%～0.3%范围（大部分结构钢的碳含量范围）的马氏体不锈钢，则要求预热和控制层间温度。

薄截面工件的预热温度和层间温度经常设定为低于Ms，这样可以完成马氏体相变和氢的扩散。而对于厚的截面，预热和层间温度设定为高于Ms，以避免制造中产生裂纹。工件在焊后缓慢冷却到室温，为氢在相变过程中扩散提供充分的时间。由于在奥氏体中氢的溶解度很高，如果相变进行得较慢，则产生氢致裂纹的可能性就很小。

当不锈钢的碳的质量分数高于0.30%，则根据上述理由必须设定预热和层间温度高于Ms。焊后这些钢被直接加热到奥氏体温度区间，然后缓慢冷却形成马氏体再回火。这个过程将优化焊件性能使之与母材相适应。

第二种处理高碳马氏体不锈钢的工艺过程是在施加上述预热和层间温度控制进行焊接后，立即把整个焊件（不冷却）加热到奥氏体可以最快转变为铁素体和碳化物的温度[如果不含镍或含很少镍，则典型的加热温度是700℃（1290°F）]，并保温几小时以进行平衡状态下的等温转变。用这种方法处理，焊缝完成了相变而母材被深度回火，冷却后整个焊件软化，如果需要，可以很容易加工到接近最终尺寸，然后再奥氏体化并作硬化处理。

可以通过控制预热和层间温度，使焊缝冷却时促进或者避免马氏体相变。和结构钢相似，为了消除表面潮湿，经常建议进行预热，一般认为120℃（248°F）是一个安全的最低值。对于大多数马氏体不锈钢，这个预热和层间温度可以允许焊缝在冷却过程中完全转变为马氏体，如图4-15中A所示。

图4-15 焊缝冷却过程和焊后热处理过程中的相变

如果维持预热和层间温度低于Mf值（图4-15中A情况），则在焊接过程中焊缝和热影响区将转变为马氏体，这样随后的焊道将使马氏体回火。如果层间温度设定于Ms和Mf之间，在组织中将有部分奥氏体残留而被加热到回火温度（图4-15中B情况），这样从回火温度冷却后，这些残留的奥氏体会转变为未经回火的马氏体。对于厚壁焊缝或者高碳马氏体不锈钢，有时建议把层间温度维持在Ms以上，如图4-15中C情况所示，这样可以避免在焊接过程中产生马氏体相变，从而避免裂纹。焊后再把整个焊件冷却到Mf点以下全部转变为马氏体后再回火。由此可见事先知道使用的母材和填充金属的相变温度就很重要，这样就可以正确地控制预热和层间温度，以避免形成不希望出现的未经回火的马氏体（如图4-15的情况B）。为此读者可以由表4-3所示的关系式来计算Ms温度。这里要再一次提醒读者使用这些关系式要当心，因为由这些关系式算得的结果差别很大，而且有些是由低合金钢推导的，而不是针对马氏体不锈钢的。这儿建议在计算Ms时要用一个最小的安全系数50℃。(www.xing528.com)

Payson和Savage^[4]较早提出用于低合金钢的一个式子，这是后来Irvine等^[5]用于马氏体不锈钢式子的基础。Steven和Haynes^[6]以及Andrews^[7]分别提出了用于低合金钢的关系式，在此基础上Kung和Rayment^[8]建议增加Si和Co的两个因子项得到了与在高合金马氏体钢中测得的Ms点相符的计算结果。Gooch^[3]提出了一个专门用于马氏体不锈钢的关系式。Self等^[9]用回归法分析了16个不同研究的数据，得到一个包括各组分之间相互作用的式子。上面提到的8个关系式都列于表4-3中，但表4-3并没有列出所有提出的关系式。用表中的数据进行预测就要把钢或者焊缝的成分以及表中的常数项和各相应元素的系数代入下式进行推导。

Ms（℃）=常数项+C%×C的系数+Mn%×Mn的系数+… （4-2）

由于表中大部分系数是负的，因而预测的Ms温度总是大大低于第一项常数值。4.7节中的实例研究将对多种合金来比较由不同关系式预测Ms得到的不同结果。

当焊接高Ni含量的马氏体不锈钢时，焊后热处理（PWHT）会出现特殊的问题。一个有意思的情况是CA-6NM钢或者410NiMo钢，这种钢因为含有大约w（Ni）=4.5%的镍，其Ac₁（加热时马氏体开始转变为奥氏体的温度）下降到635℃（1175°F），这就不允许在这个温度或高于这个温度时进行PWHT，因为这样的PWHT会形成奥氏体，而在随后的冷却中转变为未经回火的新马氏体。CA-6NM和410NiMo经常用于处理原油的装置，这种原油含有未经净化的酸性杂质如H₂S、CO₂、水和氯化物等。经常用“酸的”这个词来描述污染状态下的原油，由于其形成的环境对于钢有很强的腐蚀性，使其在工作时充氢，而硬度高的焊缝会因充氢而致裂。因而通常石油工业对焊缝设定一个最高硬度22HRC。但是当回火在低于上述635℃Ac₁温度下进行时，焊缝很难降到这个硬度。一个解决办法是采用双重回火处理，第一次回火在高于Ac₁而低于Ac₃（奥氏体转变完成温度）下进行，随后冷却到室温，第二次回火在低于Ac₁的温度下进行，第一次回火使部分焊缝金属（可能有部分母材金属）转变为奥氏体，同时使没有转变为奥氏体的马氏体深度回火。冷却到室温是很重要的，因为它使得在第一次回火中奥氏体化的部分焊缝金属再转变为马氏体，而这些新形成的马氏体在第二次回火中被软化。表4-5列出了410NiMo焊缝金属成分和所使用的双重回火处理以及由此得到的性能。

表4-5 410NiMo焊缝金属双重回火后的力学性能