预热本身时常被认为相当普通。它是指将待焊工件在焊接前或焊接中加热到室温以上。现在的规范通常要求根据材料的应用标准分几个预热温度等级。预热的必要性、好处以及不恰当的预热后果都将通过实例来说明。
工艺
预热是指在焊接前或焊接中将待焊工件加热到室温以上。焊接前和焊接后的规范都要求预热。然而,在某些条件下,也可采用其它方式预热。无论是否要求预热,预热都具有如下几个优点:
•减少焊缝与相邻母材的收缩应力,这一点尤其适用于高应力值的焊缝。
•减缓焊缝冷却过程中在关键温度区间的冷却速度,防止过度硬化以及降低焊缝和热影响区(HAZ)延展性。
•在400°F温度区间,减缓冷却速度,使氢有更多时间从焊缝和相邻母材中逸出,避免产生氢致裂纹。
•去除污染物。
•预热的量,不是通过规范最低标准确定,而是通过下列的一种或多种方法确定:
•计算表
• 碳当量估算
•裂纹参数估算
• 火花试验估算
•经验法则
预热温度范围通常与各种焊缝坡口尺寸和约束条件相适应。尽管在许多规范中都规定了最低预热温度,但在一些情况下仍会使用更低的预热温度,而在另一些情况会使用更高的预热温度。
计算表
历来有各种各样的“预热计算表”可供利用。许多“预热计算表”采用线性或圆计算尺的形式,通过对母材的材料和母材的厚度的识别,预测预热温度。
碳当量
碳当量(CE)是确定是否需要预热以及预热到什么程度的一种方式。
如果CE≤ 0.45%,预热可以任意选择
如果0.45 =< CE <= 0.60%,预热温度区间为200°F 到400°F (100°–200°C)
如果CE > 0.60%,预热温度区间为400° 到 700°F(200°–350°C)
当CE >0.5,至少考虑延迟最终的无损检测(NDE)至少24小时,以确定是否有延迟裂纹产生。
裂纹参数
当碳当量等于或小于0.17 wt-%,或使用高强钢时,可采用Ito &Bessyo参数裂纹检测(Pcm)。这种方法能精确地预测什么时候进行预热,什么时候强制预热,预热到什么温度。具体说
如果Pcm ≤ 0.15%,预热任意选择
如果0.15% <Pcm< 0.26–0.28%,预热到200°– 400°F (100°–200°C)。
如果Pcm> 0.26–0.28%,预热到400°–700°F (200°–350°C)。
火花检验
火花检验用了几十年了,是估计碳钢中碳含量多少的一种方法。碳含量越高,火花越好,越需要预热。这种方法,虽然不很精确,但是方法简便。可确定出预热温度的相对高低。
经验法则
另外一种不太精确但也很有效的选择预热温度的方法是根据每10个点的碳含量(0.10 wt-%)预热温度增加100°F (50°C)来计算。比如,如果碳含量为0.25 wt-%,那么预热温度就为250°F (125°C)或是至少从250°F (125°C)开始预热。 如果焊缝附近涂层或有其它组件存在,那么根据原始生产规范确定的预热温度就不合适了。然而,如果焊接热输入在标准工艺所允许的最大范围附近,那么传递到焊 接组件上的热就可能被焊接热输入均衡,造成受影响的金属被加热到或超过预热要求的最小值,因此,可通过外部方法更宽松预热。
需要注意的是这里使用的是范围和不精确的换算(°F to°C)。它是有意为之。预热不是一门十分精确科学。在许多情况下,持续提高预热温度直到问题解决(比如裂纹消失)也很正常。相反地,在某些特定场合, 即使使用比推荐值或规范要求的温度更低的预热温度也能达到目的。
实际应用
实际操作的技巧也要十分注意,以避免出现预热导致的材料软化问题。要选择那些很少引入氢的焊接工艺和焊条。某些技巧可以减小或降低残余应力。小心监测,确保预热方法使用正确。下面的一些描述对这些技巧的成功运用非常重要。
焊接坡口尺寸和技巧
焊接过程中的技巧对工件的焊接收缩、残余应力结果、热输入控制以及避免裂纹产生等有很大影响。
短焊缝相对于长焊缝来说,纵向收缩较小。也可使用反手焊接或特殊焊接顺序减小残余应力。
控制或减小热输入。可采用小振荡的线性焊缝而不是大摆动焊缝施焊。
减小裂纹
弧坑和焊缝裂纹可以通过使用恰当的制造工艺减小或消除。
1)具有圆截面的焊缝与具有薄、宽截面焊缝相比,焊接时产生裂纹最少。
2)避免骤然起焊或停止。焊接操作和焊缝成形使用上/下斜度焊接技巧或通过焊接电源的电气方法控制。
3)要有足够多的熔敷材料以免受焊接收缩或正常焊接影响而产生裂纹。避免产生由于焊缝熔敷材料不足(在许多生产规范中也有要求)而产生裂纹的经验做法是:熔敷金属的量至少为3⁄8-in. (10 mm)或是焊缝坡口厚度的25%。
预热方法
在车间或野外,都可以采用火焰加热(空气燃料或乙炔燃料),电阻加热,电子感应加热等方法预热。不管采用什么方法,预热必须均匀,除非有特殊要求,否则预热要穿透整个焊件厚度。图1是采用电阻(无绝缘,后面应用)和感应加热的设备。
图1—电阻加热(上)和感应加热(下)
预热监控
许多设备可以用来测量和监控温度。被焊组件或焊件应先预热到热完全浸透材料。如果可能,应检测或评估热浸透程度。通常,对多数焊接应用来说,从焊缝边缘一定距离监测温度已经足够。一定不能使监测或读取温度数值等操作造成焊接坡口污染。
温度指示笔
这些指示笔或类似铅笔的工具在一定温度值熔化,可用来简单经济地确定预热达到的最小温度,比也就是说,指示笔熔化的温度。缺点是如果工件温度高于指示笔熔化温度,它就不能起作用。当工件温度过高时,需要使用更多具有不同熔化温度的指示笔。
电子温度监测
对预热和焊接操作来说,也可以使用一些像接触式高温计或直接读数热电偶(带有模拟或数字读数)的直接测量设备。所有的测量设备都要进行校准,或用某种方法 验证他们测量温度范围的能力。因为热电偶能够连续监测和进行数据存储,所以它可以使用曲线记录仪或数据采集系统进行预热或PWHT操作。AWS D10.10提供了各种各样的方案和热电偶放置位置实例。
“土法”监测
许多“土法”确定预热温度是否足够也用了几十年了。当然,一个就是直接在工件上喷口水或烟液。口水喷上去时的“响声”大小就是温度指示器。尽管不很精确,但许多“老手”使用它。
另一个更精确的确定预热温度的方法是采用乙炔焊炬。火焰被调整到高度碳化,在需要预热区域聚集一层烟灰色。然后,再将焊炬调整到中烟,加热烟灰色区域。当烟灰色消失时,表面温度能达到400°F (200°C)以上。
要确保工件和焊件区域的整个厚度上都达到了预热温度。多数监测只针对工件外表面。AWS D10.10推荐做法是为均热区提供有用的指导,要求管管焊接时,达到整个工件厚度受热。
预热时必须仔细观察,避免预热母材过热,尤其是应用电阻加热或感应加热方法时更要注意。现在许多货主都要求在每个电阻加热板或感应线圈组件下面放置热电偶,监测和避免过热。
总结
无论是否要求预热,不管使用什么预热方法,预热都带来以下等好处:减少焊缝和相邻母材的收缩应力,对高约束的焊接接头尤其有利;减缓工件在关键温度区间的 冷却速率,防止工件过度硬化,减少焊缝和HAZ的软化;减缓工件通过400°F (200°C)温度区间时的冷却速率,使氢有更多时间从焊缝和相邻母材处扩散,防止产生氢致裂纹;去除污染;预热时最好在规定预热温度整个焊接厚度都均匀 受热。局部加热太多可能会导致材料破坏,尽量避免。
