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1.焊接过程中存在的问题
图 1-1 焊前预热示意图
我们知道，焊接是指采用加热或加压力等手段，借助金属原子的结合与扩散作用，使分离的金属材料牢固地连接起来的一种工艺。与铸造工艺相比，焊接过程中同样存在金属的高温、熔化、结晶、凝固等过程，因此铸造工艺过程中存在的气孔、夹渣、内应力引起的裂纹和变形等在焊接工艺过程中同样存在。
熔焊是目前应用最为广泛的一种焊接方法，他需要有一个能量集中度足够高的热源。焊接接头在短时间内经历高温、熔化、凝固、冷却过程，焊缝局部区域的应力来不及释放，从而产生内应力，引起结构变形，甚至产生焊接裂纹，对结构装配精度和使用安全产生恶劣影响。
图 1-2 焊接成形后出现裂纹
本章我们就针对焊接过程中的消除焊接内应力，改善焊接质量的焊前预热工艺加以介绍。
2.什么是焊前预热
焊前预热就是焊前将焊件局部或整体进行适当加热的工艺措施，以改善焊接成形质量的工艺措施。特别是普通低合金结构钢和含碳量较高的厚板熔焊时，由于金属的局部受到高温加热和冷却的焊接热循环影响，使金属内部组织发生了各种不同的变化，直接影响着焊接接头的力学性能。
图 2-1 环形火焰预热焊件
因此在焊前、焊接过程中及焊后，将焊件的局部或全部，通过加热、保温、控制冷却速度的方法，来改变或改善焊接接头的力学性能是非常必要的。
3．焊前预热的目的
焊接构件焊前预热可以从以下几方面改善焊接成形质量：
1）降低焊缝与相邻母材之间的收缩应力，适用于应力值高的焊缝。对拘束大的焊接接头区进行焊接时，由于急冷急热，会在接头区产生收缩应力，从而引起裂纹。焊前对接头区进行预热，就可以减小收缩应力，防止裂纹的产生。
2）减缓焊缝在关键温度区间的冷却速度，预防过度硬化，降低焊缝和热影响区的延展性。
预热有利于降低中碳钢热影响区的硬度，防止产生冷裂纹，这是焊接中碳钢的主要工艺措施。预热还能改善接头塑性，减小焊后残余应力。通常，35和45钢的预热温度为150～250℃。含碳量再高或者因厚度和刚度很大，裂纹倾向大时，可将预热温度提高至250～400℃。若焊件太大，整体预热有困难时，可进行局部预热，局部预热的加热范围为焊口两侧各100～200mm。
当焊接含碳量高的碳钢、低合金钢、耐热钢，以及普通低碳钢刚度较大的构件时，由于焊缝冷却速度快，容易在焊缝及热影响区产生淬硬组织，从而导致裂纹的产生。所以对焊件必须进行预热。预热能达到减慢冷却速度的目的，可以防止焊缝产生裂纹。
3）降低 400°F 温度范围的冷却速度，让氢有更多的时间从焊缝和临近母材中逸出，以避免氢致裂纹。
4）在温度较低的环境下进行焊接时，为防止产生裂纹，即使是低碳钢其厚度超过20mm时，也必须进行预热处理。
5）预热还能清除油污、水分等影响焊缝质量的因素。
4.焊前预热方法
根据焊前预热范围，可以将预热方法分为以下两类：
1）整体预热。将待焊接件整体放置在加热环境中进行整体加热的方法；
2）局部预热。当构件尺寸比较大时，仅针对待焊接件焊缝的局部区域进行加热的方法。
根据预热热源不同，预热方法分为火焰加热、工频感应加热、远红外线加热、随炉加热等。应根据加热范围来选择不同的预热方法。目前远红外加热器得到广泛应用，加热效果很好，加热范围也很大。一般预热件对于焊接接头每一侧加热宽度不小于板厚的5倍，应在坡口两侧75~100mm保持一个均热区域。
图 4-1 焊件感应预热
5.预热温度
焊接时应根据工作地点的环境温度、钢材材质和厚度，选择相应的越热温度，对焊件进行预热。确定焊前预热温度的方法有计算器法、碳当量评估法、开裂参数评估、火花试验评估、经验评估等。
1） 计算器法
目前存在很多的“预热计算器”。它们大多采用线性或圆计算尺的型式，它们根据母材和厚度而预测预热温度。
2） 碳当量评估法
碳当量可以用来评估当前构件是否需要预热以及预热到什么程度。
在焊接过程中，一般来说裂纹是不允许存在的。在早期的生产活动中，人们研究发现，碳含量越高，焊接时越容易产生冷裂纹（氢致裂纹）。随着研究的深入，人们发现其他元素对裂纹敏感性也有影响，按照影响裂纹敏感性的大小，折算成碳元素的影响，这就产生了碳当量。值得注意的是，它不是碳含量。由此看出：碳当量可以用来预测钢在焊接时发生冷裂纹（氢致裂纹）的程度大小。所以，考察一种钢的可焊性，碳当量是一个非常重要的参考量。碳当量计算公式如下：
a. 当CEq≤0.45%时，通常不强制预热；
b. 当0.45＜CEq≤0.60%时，预热温度100~200℃；
c. 当CEq＞0.60%时，预热温度200~350℃；
3） 开裂参数评估法
当碳含量≤0.17（重量百分比），或涉及到高强钢时，可以使用Ito & Bessyo裂纹量度参数 （Pcm）。对于何时需要预热，何时要强制预热，以及推荐什么预热温度，这种方法提供了更加准确的评估。一般适用于当碳含量低于或等于0.12％的焊件，公式如下：
如果熔炼分析显示硼的含量低于0.001％，那么不要求对硼元素测定进行产品分析，且在碳当量计算中可认为其值为零。
4） 火花试验评估法
用火花试验评估碳钢中的碳含量有数十年之久。更高含量的碳或者更细小的火花，则需要更多的预热。这种方法虽不够精确，但是方法简便，可确定出预热温度的相对高低。
5） 经验评估法
根据每10个点的碳（重量百分比0.10%）采用的预热温度为100°F（50°C），这虽不够精确，但却是有效的方法。例如，如果碳含量为0.25%，那么，250°F（125°C）温度也许是适当的，或者至少以此为最低值。
某些情况，诸如附近有涂层或者其他元件，从而使得原建造规范规定的预热变得不宜进行或者操作。然而，如果焊接热输入接近所用的、经评定的焊接工艺热输入的最大值，那么，传输到装配件的热量可能通过热输入而平衡，结果导致受影响的母材加热到、甚至超过最低预热要求，从而允许放松从外部进行预热的实施。
图 5-1 焊件常用预热温度
图 5-2 焊件预热的温度条件
图 5-3 不同含碳量的预热温度要求
6.规范对焊件预热的要求
根据NB/T47015的规定，焊件预热需满足以下要求：
1）焊前预热及预热温度应根据焊接母材交货状态、化学成分、力学性能、焊接性能、厚度及焊件的拘束程度等因素确定。
2）采取局部预热时，应防止局部应力过大；
3）预热大的范围应大于测温点A所示的区间，如图6-1，在此区间内任意点的温度都要满足规定的要求；
4）需要预热的焊件接头温度在整个焊接过程中应不低于预热温度；
5）预热温度的测量：应在加热面的背面测定温度。如做不到，应先移开加热源，待母材厚度方向上温度均匀后测定温度。温度均匀化的时间按每25mm母材厚度需要2min的比例确定；
6）测温点的位置：当焊件焊缝处母材厚度≤50mm时，A等于4倍母材厚度δs，且不超过50mm；当焊件焊缝处母材厚度＞50mm时，A≥75mm.
图 6-1 测温点的位置
7）当焊件温度在-20℃~0℃之间时，应在始焊处100mm范围内预热到15℃以上。
常见钢材推荐的最低预热温度见下表所示
图 6-2 常用钢材推荐的最低预热温度
7.文末总结
1）对于焊接性差、厚度大的钢板，一般接头拘束大，并采用普通的非低氢型焊接材料进行焊接，应焊前预热。
2）对于焊接导热率高的材料(如铜、铝及其合金)，为保证焊缝金属与母材的熔合，需要进行焊前预热。
3）对于焊接性好的碳素结构钢和低合金结构钢，如果板厚较小，拘束度不大，并且采用低氢型焊接材料，一般不需要预热。
4）当焊接两种不同类别的钢材组成的焊接接头时，预热温度应按照要求高的钢材选用。
5）碳钢和低合金钢的最高预热温度和道间温度不宜大于300℃，奥氏体不锈钢最高道间温度不宜大于150℃。
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