預熱本身時常被認為相當普通。它是指將待焊工件在焊接前或焊接中加熱到室溫以上。現在的規範通常要求根據材料的應用標準分幾個預熱溫度等級。預熱的必要性、好處以及不恰當的預熱後果都將通過實例來說明。
工藝
預熱是指在焊接前或焊接中將待焊工件加熱到室溫以上。焊接前和焊接後的規範都要求預熱。然而,在某些條件下,也可採用其它方式預熱。無論是否要求預熱,預熱都具有如下幾個優點:
•減少焊縫與相鄰母材的收縮應力,這一點尤其適用於高應力值的焊縫。
•減緩焊縫冷卻過程中在關鍵溫度區間的冷卻速度,防止過度硬化以及降低焊縫和熱影響區(HAZ)延展性。
•在400°F溫度區間,減緩冷卻速度,使氫有更多時間從焊縫和相鄰母材中逸出,避免產生氫致裂紋。
•去除汙染物。
•預熱的量,不是通過規範最低標準確定,而是通過下列的一種或多種方法確定:
•計算表
• 碳當量估算
•裂紋參數估算
• 火花試驗估算
•經驗法則
預熱溫度範圍通常與各種焊縫坡口尺寸和約束條件相適應。儘管在許多規範中都規定了最低預熱溫度,但在一些情況下仍會使用更低的預熱溫度,而在另一些情況會使用更高的預熱溫度。
計算表
歷來有各種各樣的“預熱計算表”可供利用。許多“預熱計算表”採用線性或圓計算尺的形式,通過對母材的材料和母材的厚度的識別,預測預熱溫度。
碳當量
碳當量(CE)是確定是否需要預熱以及預熱到什麼程度的一種方式。
如果CE≤ 0.45%,預熱可以任意選擇
如果0.45 =< CE <= 0.60%,預熱溫度區間為200°F 到400°F (100°–200°C)
如果CE > 0.60%,預熱溫度區間為400° 到 700°F(200°–350°C)
當CE >0.5,至少考慮延遲最終的無損檢測(NDE)至少24小時,以確定是否有延遲裂紋產生。
裂紋參數
當碳當量等於或小於0.17 wt-%,或使用高強鋼時,可採用Ito &Bessyo參數裂紋檢測(Pcm)。這種方法能精確地預測什麼時候進行預熱,什麼時候強制預熱,預熱到什麼溫度。具體說
如果Pcm ≤ 0.15%,預熱任意選擇
如果0.15%
火花檢驗
火花檢驗用了幾十年了,是估計碳鋼中碳含量多少的一種方法。碳含量越高,火花越好,越需要預熱。這種方法,雖然不很精確,但是方法簡便。可確定出預熱溫度的相對高低。
經驗法則
另外一種不太精確但也很有效的選擇預熱溫度的方法是根據每10個點的碳含量(0.10 wt-%)預熱溫度增加100°F (50°C)來計算。比如,如果碳含量為0.25 wt-%,那麼預熱溫度就為250°F (125°C)或是至少從250°F (125°C)開始預熱。 如果焊縫附近塗層或有其它組件存在,那麼根據原始生產規範確定的預熱溫度就不合適了。然而,如果焊接熱輸入在標準工藝所允許的最大範圍附近,那麼傳遞到焊 接組件上的熱就可能被焊接熱輸入均衡,造成受影響的金屬被加熱到或超過預熱要求的最小值,因此,可通過外部方法更寬鬆預熱。
需要注意的是這裡使用的是範圍和不精確的換算(°F to°C)。它是有意為之。預熱不是一門十分精確科學。在許多情況下,持續提高預熱溫度直到問題解決(比如裂紋消失)也很正常。相反地,在某些特定場合, 即使使用比推薦值或規範要求的溫度更低的預熱溫度也能達到目的。
實際應用
實際操作的技巧也要十分注意,以避免出現預熱導致的材料軟化問題。要選擇那些很少引入氫的焊接工藝和焊條。某些技巧可以減小或降低殘餘應力。小心監測,確保預熱方法使用正確。下面的一些描述對這些技巧的成功運用非常重要。
焊接坡口尺寸和技巧
焊接過程中的技巧對工件的焊接收縮、殘餘應力結果、熱輸入控制以及避免裂紋產生等有很大影響。
短焊縫相對於長焊縫來說,縱向收縮較小。也可使用反手焊接或特殊焊接順序減小殘餘應力。
控制或減小熱輸入。可採用小振盪的線性焊縫而不是大擺動焊縫施焊。
減小裂紋
弧坑和焊縫裂紋可以通過使用恰當的製造工藝減小或消除。
1)具有圓截面的焊縫與具有薄、寬截面焊縫相比,焊接時產生裂紋最少。
2)避免驟然起焊或停止。焊接操作和焊縫成形使用上/下斜度焊接技巧或通過焊接電源的電氣方法控制。
3)要有足夠多的熔敷材料以免受焊接收縮或正常焊接影響而產生裂紋。避免產生由於焊縫熔敷材料不足(在許多生產規範中也有要求)而產生裂紋的經驗做法是:熔敷金屬的量至少為3⁄8-in. (10 mm)或是焊縫坡口厚度的25%。
預熱方法
在車間或野外,都可以採用火焰加熱(空氣燃料或乙炔燃料),電阻加熱,電子感應加熱等方法預熱。不管採用什麼方法,預熱必須均勻,除非有特殊要求,否則預熱要穿透整個焊件厚度。圖1是採用電阻(無絕緣,後面應用)和感應加熱的設備。
圖1—電阻加熱(上)和感應加熱(下)
預熱監控
許多設備可以用來測量和監控溫度。被焊組件或焊件應先預熱到熱完全浸透材料。如果可能,應檢測或評估熱浸透程度。通常,對多數焊接應用來說,從焊縫邊緣一定距離監測溫度已經足夠。一定不能使監測或讀取溫度數值等操作造成焊接坡口汙染。
溫度指示筆
這些指示筆或類似鉛筆的工具在一定溫度值熔化,可用來簡單經濟地確定預熱達到的最小溫度,比也就是說,指示筆熔化的溫度。缺點是如果工件溫度高於指示筆熔化溫度,它就不能起作用。當工件溫度過高時,需要使用更多具有不同熔化溫度的指示筆。
電子溫度監測
對預熱和焊接操作來說,也可以使用一些像接觸式高溫計或直接讀數熱電偶(帶有模擬或數字讀數)的直接測量設備。所有的測量設備都要進行校準,或用某種方法 驗證他們測量溫度範圍的能力。因為熱電偶能夠連續監測和進行數據存儲,所以它可以使用曲線記錄儀或數據採集系統進行預熱或PWHT操作。AWS D10.10提供了各種各樣的方案和熱電偶放置位置實例。
“土法”監測
許多“土法”確定預熱溫度是否足夠也用了幾十年了。當然,一個就是直接在工件上噴口水或煙液。口水噴上去時的“響聲”大小就是溫度指示器。儘管不很精確,但許多“老手”使用它。
另一個更精確的確定預熱溫度的方法是採用乙炔焊炬。火焰被調整到高度碳化,在需要預熱區域聚集一層菸灰色。然後,再將焊炬調整到中煙,加熱菸灰色區域。當菸灰色消失時,表面溫度能達到400°F (200°C)以上。
要確保工件和焊件區域的整個厚度上都達到了預熱溫度。多數監測只針對工件外表面。AWS D10.10推薦做法是為均熱區提供有用的指導,要求管管焊接時,達到整個工件厚度受熱。
預熱時必須仔細觀察,避免預熱母材過熱,尤其是應用電阻加熱或感應加熱方法時更要注意。現在許多貨主都要求在每個電阻加熱板或感應線圈組件下面放置熱電偶,監測和避免過熱。
總結
無論是否要求預熱,不管使用什麼預熱方法,預熱都帶來以下等好處:減少焊縫和相鄰母材的收縮應力,對高約束的焊接接頭尤其有利;減緩工件在關鍵溫度區間的 冷卻速率,防止工件過度硬化,減少焊縫和HAZ的軟化;減緩工件通過400°F (200°C)溫度區間時的冷卻速率,使氫有更多時間從焊縫和相鄰母材處擴散,防止產生氫致裂紋;去除汙染;預熱時最好在規定預熱溫度整個焊接厚度都均勻 受熱。局部加熱太多可能會導致材料破壞,儘量避免。
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