魏炳寧

(上海振華重工(集團)股份公司，上海200125)

0 引言

中厚鋼板焊接時，焊接質(zhì)量與焊接參數(shù)、焊材選擇、焊工經(jīng)驗?zāi)芰Φ瘸Ｒ?guī)焊接條件密切相關(guān)，同時焊前預(yù)熱處理、焊接過程中道間溫度控制、焊接后熱處理、焊接后振動時效處理也是控制焊接質(zhì)量不可忽略的關(guān)鍵因素。因此，為降低焊接后裂紋的產(chǎn)生、消除夾渣和消減焊接內(nèi)應(yīng)力，中厚鋼板焊接時，必須制定一套通用的焊前預(yù)熱處理、焊接過程中道間溫度控制、焊接后熱處理、焊接后振動時效處理工藝，從而可以高效指導(dǎo)焊接生產(chǎn)，控制產(chǎn)品質(zhì)量。

1 焊前預(yù)熱處理和道間溫度

1.1 一般鋼結(jié)構(gòu)焊接的預(yù)熱溫度和道間溫度

焊接時，鋼結(jié)構(gòu)件最低預(yù)熱和道間溫度的要求一般分為懸臂法結(jié)構(gòu)件(FCM)和非懸臂法結(jié)構(gòu)件，其參數(shù)分別見表1和表2[1]。表中，當(dāng)母材溫度低于0℃時，必須將母材預(yù)熱到至少20℃，且焊接中必須保持這溫度。本規(guī)定僅適用于最低屈服強度為235 MPa和345 MPa的結(jié)構(gòu)鋼材(如Q235、Q345、A709-50、ST52和SM490等)。

表1 非FCM構(gòu)件最低預(yù)熱和道間溫度

表2 FCM構(gòu)件最低預(yù)熱和道間溫度

最低預(yù)熱溫度按接頭中較厚板的厚度確定。最低預(yù)熱溫度是指焊接前接頭部位(包括引弧板)的初始溫度，因此，應(yīng)在焊接前進行結(jié)構(gòu)件焊接接頭的預(yù)熱工作。

焊接接頭預(yù)熱過程中各部位加熱時應(yīng)均勻進行。母材的最小預(yù)熱區(qū)域的焊接點所有方向上不得小于焊件的最大厚度值，但必須不小于75 mm?？紤]到各種部位的拘束度和重要性的不同，對某些重要接頭，比如拉桿、上橫梁與后大梁的焊接等，實際預(yù)熱溫度應(yīng)比規(guī)定高出30～50℃。

最低道間溫度是指某接頭在焊接過程中，任何施焊時刻其施焊部位必須達到的溫度，因此，對于長焊縫，高空風(fēng)大、天氣寒冷等導(dǎo)致熱量容易散失的情況，必須隨時加熱，以保持施焊部位滿足最低道間溫度的要求[2]。

任何焊接過程的中斷會導(dǎo)致焊接部位溫度降低，若接頭焊縫尚未完工，再焊接時，必須按上述規(guī)定重新預(yù)熱。對于板材厚度t≥30 mm的情況，除需滿足最低預(yù)熱和道間溫度要求外，還需進行錘擊處理，以防止裂紋的發(fā)生。

1.2 鋼橋焊接的預(yù)熱溫度和道間溫度

除螺柱焊、電渣焊(ESW)和氣電立焊(EGW)外，超靜定構(gòu)件的最低預(yù)熱和道間溫度必須符合表3、表4的規(guī)定。表中，板厚t≤40 mm時最高預(yù)熱和道間溫度不得超過205℃，厚度更大時不得超過230℃。

表3 A709M 250/345/345W級母材最低預(yù)熱和道間溫度

最高預(yù)熱和道間溫度必須遵守焊接工藝規(guī)程(WPS)中的溫度規(guī)定，如果無規(guī)定則按表3、表4進行。最低預(yù)熱和道間溫度按接頭中較厚板的厚度和母材級別確定，兩者取其較高值?？紤]到板較厚、接頭拘束度高或返修焊縫等原因，實際預(yù)熱溫度必須比規(guī)定溫度高出30～50℃。除特殊情況外，最高預(yù)熱不得超過230℃。

表4 A709M 485/690/690W級母材最低預(yù)熱和道間溫度

在緊靠焊縫處周圍的溫度低于－20℃時不得進行焊接。如果補充加熱和對構(gòu)件進行保護，以使焊件附近的溫度足以保持在－20℃或更高時，則環(huán)境溫度允許低于－20℃。當(dāng)母材溫度低于0℃時，必須將母材預(yù)熱到至少20℃，且焊接中必須保持這溫度。母材預(yù)熱的最小區(qū)域:離焊接點不得小于焊件的最大厚度值，但不得小于75 mm。

2 焊接后熱

后熱是指焊接結(jié)束后對焊接接頭進行的加熱。后熱溫度是指焊接結(jié)束后對焊接接頭加熱的溫度。后熱溫度的界限:若需要后熱時，焊縫和鄰近的母材同時加熱到最低230℃至最高315℃。加熱速率按25 mm/h到達上述溫度;不管厚度如何，最多用2 h到達上述溫度，二者取其時間較短的。返修焊縫的最少加熱時間按返修焊縫距離表面的深度計算，深度每25 mm加熱1 h，但不得少于1 h。更長的加熱時間可以采用。焊接工藝規(guī)程(WPS)若有要求，則按WPS進行后熱。后熱完畢，可用三防布包裹覆蓋，讓其自然冷卻。

3 焊后熱處理(PWHT)

在溫度上升到后熱溫度之前，不允許焊縫冷卻到最低預(yù)熱溫度和道間溫度以下。焊件放入爐中時，爐溫嚴(yán)禁超過315℃。在315℃以上，加熱速率不大于220℃ /h[3]。加熱和冷卻的速率不得低于55℃/h。加熱各部位溫差在任何5 m距離內(nèi)嚴(yán)禁大于140℃，在密封爐腔和復(fù)雜結(jié)構(gòu)可以降低速率。

調(diào)質(zhì)鋼達到600℃或其他鋼達到600～650℃后進行保溫，保溫時間嚴(yán)禁小于表5的時間。保溫期間，其他部位裝配的最高和最低溫度差嚴(yán)禁大于85℃。

表5 最少保溫時間

焊件在315℃以上溫度冷卻時，應(yīng)在密閉的爐或冷卻室中進行，冷卻速率不大于280℃/h。低于315℃時，焊件可在靜止空氣中冷卻。

4 振動時效處理

岸橋、場橋和散貨機械的行走支座主焊縫焊接后，殘余應(yīng)力很大。經(jīng)過改進焊接工藝和振動時效試驗，證明振動時效工藝可以替代熱處理工藝。振動時效裝置安裝圖如圖1所示，其操作工藝如下。

(1)將防止焊接變形的工藝撐割除，使行走支座處于自由狀態(tài)。將工件擺放于橡膠墊上(4個，成十字形)。擺放時應(yīng)注意地面必須平整，擺放必須平穩(wěn)，支撐點盡量靠近工件共振時的節(jié)線處。

(2)將激振器用2個弓形卡具裝夾于工件共振時的波峰處(法蘭板)，注意弓形卡具必須擰緊以免松動。將傳感器擰上磁座，將其吸緊在共振時的波峰處(與激振器在同一側(cè))，盡量不要放在與激振器處的同一波峰處。用五芯電纜將激振器和控制器連接起來。用屏蔽線將傳感器和控制器連接起來，根據(jù)工件的重量及尺寸大小，調(diào)整激振器的偏心距。將控制器電源電纜接好，并接好電源，根據(jù)表6要求選擇振動時效處理時間[4]。

表6 振動時效處理時間參考表

圖1 振動時效裝置安裝圖

振動時效結(jié)束后，對工件的殘余應(yīng)力進行檢測，并對所有焊縫作MT(滲透探傷)100%檢查。MT檢查結(jié)束后，建議存放于外場10 d左右進行殘余應(yīng)力再釋放。

殘余應(yīng)力不大于200 MPa后方可進行下一道加工工序;若大于200 MPa，則需存放10 d左右后再進行振動時效處理并作MT 100%檢查。若出現(xiàn)裂紋，要求按修補焊接工藝進行返修。返修時嚴(yán)格控制預(yù)熱、焊后加熱保溫處理以及結(jié)合錘擊工藝。

5 結(jié)語

以上焊接溫控和焊后消應(yīng)力處理工藝，在前期試驗成功的前提下，后續(xù)逐漸小批量、大批量應(yīng)用于公司鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)品中，提高了鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的焊接質(zhì)量和生產(chǎn)效率，降低了焊后返修量，取得了較好的效果。公司中厚鋼板的焊接基本采用此種焊接溫控工藝，從產(chǎn)品的質(zhì)量跟蹤來看，沒有出現(xiàn)過焊接缺陷問題，說明了此類方法的應(yīng)用是成功的。

[1] 劉榴.AASHTO/AWS D1.5M/D1.5:2010《橋梁焊接規(guī)范》及電渣焊方法的新進展[J].現(xiàn)代焊接，2012(12):1-5.

[2] 張帥，閆豐剛.焊前預(yù)熱在海洋工程結(jié)構(gòu)焊接中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代焊接，2015(8):22-26.

[3] 陳文汨，張利，金立業(yè)，等.焊接殘余應(yīng)力的分布和焊后熱處理的應(yīng)力松弛作用[J].金屬熱處理，2002(2):30-32.

[4] 狄歐.金屬材料振動時效工藝的研究[C]//中國機械工程學(xué)會特種加工分會.第15屆全國特種加工學(xué)術(shù)會議論文集(下).北京:中國機械工程學(xué)會特種加工分會，2013:393-398.