中厚鋼板焊接溫控和消應力工藝

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，焊接質量與焊接參數、焊材選擇、焊工經驗能力等常規焊接條件密切相關，同時焊前預熱處理、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量不可忽略的關鍵因素。因此，為降低焊接后裂紋的產生、消除夾渣和消減焊接內應力，中厚鋼板焊接時，必須制定一套通用的焊前預熱處理、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，從而可以高效指導焊接生產，控制產品質量。

1 焊前預熱處理和道間溫度

1.1 一般鋼結構焊接的預熱溫度和道間溫度

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

表1 非FCM構件最低預熱和道間溫度

表2 FCM構件最低預熱和道間溫度

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

焊接接頭預熱過程中各部位加熱時應均勻進行。母材的最小預熱區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。考慮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，實際預熱溫度應比規定高出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，高空風大、天氣寒冷等導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，必須按上述規定重新預熱。對于板材厚度t≥30 mm的情況，除需滿足最低預熱和道間溫度要求外，還需進行錘擊處理，以防止裂紋的發生。

1.2 鋼橋焊接的預熱溫度和道間溫度

除螺柱焊、電渣焊(ESW)和氣電立焊(EGW)外，超靜定構件的最低預熱和道間溫度必須符合表3、表4的規定。表中，板厚t≤40 mm時最高預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級母材最低預熱和道間溫度

最高預熱和道間溫度必須遵守焊接工藝規程(WPS)中的溫度規定，如果無規定則按表3、表4進行。最低預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。考慮到板較厚、接頭拘束度高或返修焊縫等原因，實際預熱溫度必須比規定溫度高出30～50℃。除特殊情況外，最高預熱不得超過230℃。

表4 A709M 485/690/690W級母材最低預熱和道間溫度

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，則環境溫度允許低于－20℃。當母材溫度低于0℃時，必須將母材預熱到至少20℃，且焊接中必須保持這溫度。母材預熱的最小區域: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

后熱是指焊接結束后對焊接接頭進行的加熱。后熱溫度是指焊接結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熱溫度和道間溫度以下。焊件放入爐中時，爐溫嚴禁超過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距離內嚴禁大于140℃，在密封爐腔和復雜結構可以降低速率。

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

表5 最少保溫時間

焊件在315℃以上溫度冷卻時，應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，殘余應力很大。經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。將工件擺放于橡膠墊上(4個，成十字形)。擺放時應注意地面必須平整，擺放必須平穩，支撐點盡量靠近工件共振時的節線處。

(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)，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，根據工件的重量及尺寸大小，調整激振器的偏心距。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

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

殘余應力不大于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。若出現裂紋，要求按修補焊接工藝進行返修。返修時嚴格控制預熱、焊后加熱保溫處理以及結合錘擊工藝。

5 結語

以上焊接溫控和焊后消應力處理工藝，在前期試驗成功的前提下，后續逐漸小批量、大批量應用于公司鋼結構產品中，提高了鋼結構產品的焊接質量和生產效率，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，從產品的質量跟蹤來看，沒有出現過焊接缺陷問題，說明了此類方法的應用是成功的。

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

[2] 張帥，閆豐剛.焊前預熱在海洋工程結構焊接中的應用[J].現代焊接，2015(8):22-26.

[3] 陳文汨，張利，金立業，等.焊接殘余應力的分布和焊后熱處理的應力松弛作用[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]//中國機械工程學會特種加工分會.第15屆全國特種加工學術會議論文集(下).北京:中國機械工程學會特種加工分會，2013:393-398.