关于焊前预热问题,这篇文章很全面

关于焊前预热问题,这篇文章很全面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

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1.焊接过程中存在的问题

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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。

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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。

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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。

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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:

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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:

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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。

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图 5-1 焊件常用预热温度

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图 5-2 焊件预热的温度条件

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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.

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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

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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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