焊前预热在海洋工程结构焊接中的应用

本文首先将焊前预热在海洋工程结构焊接过程中的重要作用进行简单概述，介绍了影响钢板冷却速度的因素，将几种焊前预热温度的计算方法进行了列举，并对现场生产过程中的预热方式、预热范围、测量方法进行了简单陈述，最后对实际生产中的积累的经验进行了总结。

随着海洋石油开采的发展，在自升式钻井平台，半潜式钻井平台，固定式导管架生产平台和FPSO等海洋石油装备的设计及制造过程中，大量使用厚度范围大于50mm，级别在DH32/36、EH32/36、EH40,、FH40等的高强钢，甚至屈服强度更高的EQ43/47/51/63/70等超高强钢。在某些条件下焊接这些钢的时候会碰到的一个主要问题就是氢致裂纹。这种裂纹还有一些其他的名称，如焊道下裂纹、冷裂纹，或者延迟裂纹，一般在冷却到低于93℃的某温度时候立刻出现或者在焊后的几个小时以后出现。

焊接时金属组织转变硬化产生的应力或接头承受的应力过大，均有可能引起焊接接头的氢致裂纹。这种裂纹与以下的三个条件的综合作用有关：（1）钢中有氢的存在；（2）显微组织为部分的或者全部的马氏体；（3）在裂纹的敏感区中有拉伸应力的存在。如果这三个条件缺少一个或者一个以上，或这三个条件处于较低的值，则不会产生氢致裂纹。

预热对上述三者都有影响。预热温度是指开始任何焊接操作之前，焊接区域内工件的瞬时温度。通常要确定预热温度的最低值，而且整个的焊接过程中的最低道间温度应保持此温度。合理的预热工艺对三者带来了积极的作用。预热温度不足，常常会起不到预热应该达到的功能。预热温度过度，不只是恶化焊工的工作环境、浪费能源，还会扩大热影响区的范围。下面结合现场的生产经验，对焊前预热的选择和应用进行阐述。

1、焊前预热的作用

一般来说，合理的焊前预热工艺有以下四个主要的功能：

1.1预热能降低熔敷金属和母材（热影响区）的冷却速度，形成一个抗裂性能优良的延展性的金相组织，即降低形成淬硬马氏体微观组织的风险；

1.2缓慢的冷却速度使得焊缝中氢元素逸出，降低氢溶解于焊缝金属中几率，即减少氢致裂纹潜在的风险；

1.3预热减少了焊缝及相邻母材金属的收缩产生的内应力，特别在高拘束度的接头中尤为明显；

1.4另外，预热能帮助获得相应的机械性能，如焊缝金属的韧性等。

每一种钢都有一个临界冷却速度，预热的目的实际上就是使熔敷金属在焊接过程中的实际冷却速度低于该钢种的临界冷却速度。如果焊接时焊缝金属实际冷却速度超过临界时，在

热影响区内就可能产生马氏体组织，当存在氢及内应力的作用下，就有可能产生冷裂纹。

2 、影响冷却速度的因素

每一种成分的钢种都有一个不同临界冷却速度，临界冷却速度是无法人为左右的，因此只能考虑影响它的某些因素。

冷却速度公式的实际应用主要是计算预热温度。因为钢板厚度的不同，冷却速度也不相同。所以冷却速度公式计算分为两种：

2.1厚板公式

式中：—板件的初始温度，℃；—板件的实际冷却速度，℃/S；—金属的热传导率，J/mm▪S▪℃，取0.028；—线能量，J/mm；—CCT曲线图中“鼻尖”温度，℃，对大多数钢取=550。

2.2薄板公式

式中：—板的厚度，mm；—材料密度，g/mm³，一般低碳钢和低合金钢取0.0078g/mm³；—金属的比热，J/g℃，一般低碳钢、低合金钢取0.5J/g℃。

2.3如何区分厚板和薄板

厚板和薄板只是一个相对概念，为区分厚板和薄板，引入“相对板厚”值；

当＞0.75时，属于厚板；当＜0.75时，属于薄板。

从上述公式中，看出影响冷却速度的可变变量只有和，其余都为固定值，其中，由于焊接工艺参数的限定，可变动的余地不大，只有值可以较大改变。且由于值比值高一个数量级，因此值是决定钢板的冷却速度R值最为关键的变量。此处是金属的初始温度，即焊前预热温度。

3、预热温度的计算

预热温度的计算有好几种方法，在实际的设计和生产过程中，常见的计算方法如下四种：

3.1 Seferain（舍尔夫经验公式）法

这种方法可以简单快捷的得到预热温度，只需考虑两个因素：碳当量和板厚。碳当量的计算公式为：

[C]c=C+40(Mn+Cr)/360+20Ni/360+28Mo/360

此外，引入了板厚碳当量[C]t：

[C]t=0.005t[C]c t—板厚，mm；

总的碳当量为：[C]=[C]c+[C]t=[C]c×(1+0.005t)

预热温度

为了方便计算，可通过总的碳当量[C]和板厚来查图得到预热温度（图1）。

预 热 温 度

板 材 厚 度

图1 总碳当量[C]和板厚确定预热温度

3.2 AWS(美国焊接协会)方法

3.2.1 临界冷却速度的确定

这种方法首先要确定临界冷却速度。首先在钢板表面进行堆焊的方法来确定临界冷却速度。比如：在钢板表面分别以V=7,8,9,10mm/s的速度进行堆焊，并且焊接参数为E=25V；I=300A；t=6mm；=0.90；=25℃；=550℃。在焊缝横截面做硬度实验后，发现熔敷速度为9mm/s和10mm/s的热影响区内存在高硬度组织。即，在熔敷速度为8mm/s时焊道的冷却速度具有最大“安全”数值。

线能量：25×300×0.9/8=843.75J/mm

相对板系数：

=6

=0.24，小于0.75，
选用薄板的冷却速度：

℃/s

由此得出此种钢材的最大“安全”冷却速度为5℃/s，因此实际冷却速度不应超过这个数值。在实际焊接时，通过提高预热温度的方法，可以把实际冷却速度降到5℃/s以下。

3.2.2 预热温度的确定

厚板公式：

薄板公式：T。=

例如：焊接某一零件，焊接参数如下：E=25V；I=250A；V=7mm/s；t=9mm；=0.9；R=5℃/s。

预热温度（薄板）℃

由此可以得出结论：当此种板材预热温度超过163℃时，其实际冷却速度在5℃/s以下，此时脆性组织不会出现在热影响区内。另外，当计算得到的预热温度等于或低于环境温度时，则说明在常温下即可开始焊接。

3.3冷裂纹敏感指数法

除碳当量外，焊缝含氢量和接头拘束度都对冷裂倾向有很大的影响。有人曾对200多种不同成分的钢材、不同的厚度及不同的焊缝含氢量进行试验，求得焊接冷裂纹敏感指数Pc：

式中: —板厚，mm；H—焊缝中扩散氢含量，mL/100g。

此式适用条件：C，0.07%～0.22%；Si≤0.60%；Mn 0.40%～1.40%；Cu≤0.50%；Ni≤1.20%；Cr≤1.20%；Mo≤0.70%；V≤0.12%；Nb≤0.04%；Ti≤0.05%；B≤0.005%；δ=19～50mm；H=1.0～5.0mL/100g(GB 3965—83测氢法)。

求得Pc后，利用下式即可求出斜Y坡口对接裂纹试验条件下，为防止冷裂纹所需要的最低预热温度T0（℃）：

T0=1440Pc-392

此公式不仅考虑了钢中化学成分的影响，还考虑到钢板厚度和拘束度，以及熔敷金属中的氢含量，利用此公式可以准确的计算出防止冷裂纹所需要的最低预热温度。

3.4 参照标准条款确定

在计算得知碳当量Ceq和焊件组合厚度的情况下，根据IACS Rec.No.047标准

可以详细地推算出推荐的预热温度（附表，图2）。应用此种方法虽然省略了很多因素对于最低预热温度的影响，但在现场和工厂的实际应用中比较方便，很容易操作。

附表 推荐的最小预热温度

碳当量推荐的最低预热温度(℃)tcomb≤50mm2)50mm≤tcomb≤70mm2)tcomb≥70mm2)CE≤0.39--50CE≤0.41--75CE≤0.43-50100CE≤0.4550100125CE≤0.47100125150CE≤0.50125150175

图2 焊接接头图示

备注：1）

2）参考图2，组合焊缝厚度

在使用附表和图2时需特别注意：（1）决定是否需要预热时需综合考虑材料的化学成分，焊接工艺方法以及焊接接头的拘束度；（2）当环境温度低于0℃时，焊接的最低预热温度最小为50℃。无论任何情况确保焊接区域的干燥；（3)对高强钢的推荐最小预热温度指南在表1中给出。当使用线能量较大的埋弧焊时，预热温度可降低50℃。对于焊接中断后再焊或返修时，预热温度需在此基础上增加25℃。

4、预热方式（图3）

根据现场工件的尺寸大小、预热位置、生产成本和预热温度等生产实际情况来选择不同的预热方式。

4.1燃气炉/电炉

一般用于焊后热处理（PWHT），也可用于处理大型构件时保持可控和一致的预热温度。

4.2电阻加热元件

通电电流流经电阻线圈时产生热量。

4.3高频加热元件

静电耦合方式来产生热量，可对大型结构进行整体加热。热量产自材料中的分子在受到高频场时的振荡。

4.4火焰加热

现在最普遍的加热方式是使用火焰进行焊前预热。氧气是助燃成分，燃气可以是乙炔，丙烷或甲烷（天然气）。在使用火焰进行预热时，一定要进行足够的时间热透，避免只有表面温度达标，应使工件在整个厚度内温度相同。

图3 预热方式

5、如何测量预热温度（图4）

5.1测量设备

用于温度测量的设备应在焊接工艺规程中明确。

5.1.1热敏材料

由特种蜡质材料制成，可在特定温度下熔化或者明显颜色转变。便宜、简单易用，但无法精确测量温度。

5.1.2接触式测温仪

可用双金属条或电热调节器（即电阻随温度变化相反的温度敏感电阻器）；精确，可

测得实际温度；需定期标定；用于中等温度测量（最高350℃）。

5.1.3热电偶

通过测量热结点（安置在焊道处）和冷结点（参考结点）之间的热电势差；测量

范围大；测量精度高；可连续监测；需定期标定。

5.1.4非接触式光学或电子测温装置

分为红外线或光学高温计两种；测量发热体散发的辐射能量；可远距离测量（非接

触）；仪器复杂且昂贵；可用于测量高温。

图4 各种测量温度工具

5.2测量点

温度一般在正对着焊工的工件表面，距离坡口边缘4倍板厚，且不超过50mm的距离处测量（见图5）。这一规定适用于焊缝处工件厚度t不超过50mm的场合。

当工件厚度超过50mm时，要求的测温点应位于至少75mm距离的母材或者坡口任何方向上同一位置。条件允许时，温度应在加热面的背面测定。否则，应在加热面上移开热源一段时间，使母材厚度上的温度均匀后测定温度，使用固定的永久性加热器或无法在背面测量温度时，应从靠近焊缝坡口处暴露的母材表面上测取温度。使得温度均匀化的时间应按每25mm母材厚度2min计。

道间温度应在焊缝金属或相邻的母材金属处测得。

图5 测量点的距离

5.3测量时间

道间温度应在电弧经过之前的焊接区域内瞬时测得。确定了预热维持温度时，应在焊接

中断期间予以监测。

6、结束语

焊前预热的作用是降低焊接过程中的冷却速度，避免导致冷裂纹的脆性微观组织（即马氏体）的出现。预热温度的选择应根据经验，同时可以通过在不同标准中的不同方法进行计算，如BSEN1011-2，AWS D1.1等标准。根据BSEN，ISO-15614和ASME IX标准，最佳预热温度是能使冷却速度稍低于临界冷却速度（留有安全余量）的温度。预热温度是焊接关键变量，因此焊接评定范围外的任何数值变更都需要重新进行评定。但在实际应用的焊接工艺规程（WPS）中，一般需要注明制定所参考的标准。

在实际的焊前预热实施过程中，还要注意以下方面：（1）要保持预热温度的下限直至整个焊接过程结束；（2）不要将气体加热火焰直接喷向焊缝坡口面。由于气体加热火焰接触钢板的缝隙时，会生成露水。当预热温度为50～80℃和高湿度时，很容易产生这种露水，而露水可导致气孔和焊接裂纹等焊接缺陷；（3）预热时由于加热部位产生热膨胀，产生热应力导致发生变形，可能会造成定位焊开裂。为了防止这种现象发生，可均匀缓慢地加热焊接中心线的两侧，或者从低温位置开始对周边整体预热；（4）调质钢的预热温度过高时，会导致强度和缺口韧性的恶化，降级金属力学性能。一般来说，调质钢的预热温度的上限是200～230℃。