中国航天科技集团公司空间技术研究院518研究所 杨俊平

摘 要：本文介绍了TB2钛合金电阻点焊工艺试验过程，确定了合理的点焊工艺参数。对其接头成形特点、组织特征进行了分析，并对接头进行力学性能试验。结果表明，只要焊接工艺合理，采用电阻点焊焊接TB2钛合金板材（2mm +0.8mm）效果良好，可以达到Ⅰ级焊缝要求。

关键词：TB2；电阻点焊；工艺；试验

1 前 言

TB2，名义成分Ti-5Mo-5V-8Cr-3Al，是我国自行研制的一种新型材料, 属于亚稳定β型钛合金，该合金在固溶状态下具有优异的冷成形性能和良好的焊接性能，在固溶时效状态下具有高的强度和良好的塑性匹配，是航空、航天、国防工业中很有发展前途的一种钛合金。本试验通过对TB2合金电阻点焊的工艺研究，旨在探讨组织性能良好的点焊工艺，确定合理的TB2 电阻点焊工艺流程及其工艺规范。

2 点焊试验

2.1 试验材料

试验所选用的TB2钛合金，电阻率大，导热性差，高温强度稍低，点焊规范与不锈钢大致相当，且材料热敏感性高，即使缩短通电时间也有严重的晶粒长大，影响材料的力学性能。其化学成分见表1。

2.2 试验方案

根据点焊试验对接接头的要求以及拉剪试验对钛板的尺寸要求，设计接头型式如图1所示。

其中，图1a的接头用于测试工艺参数以及进行撕裂试验，图1b则是根据拉剪试验对钛板的尺寸要求设计的。对两种不同厚度的试板进行搭接点焊, 其组合为0.8mm+2.0mm接头，焊点直径设计为5mm。其中试板宽度B=20mm, 试板长度L=100mm，搭接长度t=8mm。

为得到质量可靠的焊点，避免在焊接过程中产生各种缺陷，试板机械加工表面粗糙度达到Ra=0.8，并对试板表面进行了焊前清理。首先进行化学清洗，将焊件放入自动清洗机清洗5min，去除表面氧化皮、油脂、灰尘、手印等影响焊点质量的杂质，用细砂纸仔细清理试板点焊范围内的氧化膜，使之露出金属光泽，然后，将工件装夹在专用夹具上待焊。

为了确定合理的焊接规范，选择A（软规范）、B（中等偏硬规范）、C（硬规范）三种规范进行点焊工艺试验。在进行焊接时，焊接时间（较小值）、焊接电流、电极压力依次从小到大，详细点焊工艺参数见表2。

采用大量的对比试验，确定采用中等偏硬的点焊规范，参照相关标准的要求，进行焊缝检验，并比较分析了保护气体对焊接接头组织和性能的影响。

卢俊宇

( 广西一建海南公司，海南海口570206 )

【摘要】闪光片坪是工程施工中最常见的钢筋接长方式之一，闪光对焊接头质量不保证将会给工程留下隐患。文章介绍了在海口市洛杉矶城A座施工实践中所采取的加强其质量控制的技术措施。

【关键词】闪光时焊;质量控制;技术措施;操作工艺;质量缺陷;质保体系

前　言

闪光对焊是工程施工中最常见的钢筋接长方式之一。在本人9年多的工程实践中，不论是亲身经历的还是所了解到的，每一个工程都有采用闪光对焊来提高钢筋原材的利用率。但实际上，对其接头的质量却往往重视不够。工程中采用闪光对焊一般是在工地的钢筋加工车间操作成型，而在这些钢筋被搬离车间用于工程之前往往检查不够或者缺少检查验收。闪光对焊接头质量缺陷往往只是在现场钢筋工程隐蔽验收的时候才被零星的发现，这时处理起来已比较麻烦。不被发现的则给工程留下了永久隐患。
　　
我公司1997-1999年施工的海口市洛杉矶城A座是一幢超高层建筑，地下三层，共51层，现浇钢筋硷筒中筒结构，塔楼平面为八边形。由于结构复杂，又受建筑形状、尺寸所限，为了充分利用钢筋原材，工程采用了大量的闪光对焊接头。在地下室施工时，本人特别就此编制了加强闪光对焊质量控制的几条措施，以确保不因闪光对焊接头质量给工程留下任何隐患，取得了理想的效果。

1 正确掌握操作工艺.按要求施工
　　
1.1为保证闪光对焊焊接质量，首先应该选好恰当的焊接参数，包括闪光留量、闪光速度、顶锻留量、顶锻速度、顶锻压力、调件长度及变压器级次等。预热闪光焊还包括预热留量。闪光留量一般可取8-l0mm;闪光速度开始时近于0，然后约1mm/s，终止时约1.5-2mm/s;顶锻留量宜取4–6.5mm;顶锻速度开始的0.1，应将钢筋压缩2- 3mm，然后断电并以6mm/s的速度继续顶锻至结束;顶锻压力应足以将全部的熔化金属从接头内挤出;调伸长度取值对ff级钢为1.0-1.5d，直径小取较大值;钢筋级别高或直径大的其所用变压器级次也要高。
　　
1.2现场常用的容量为100KVA的对焊机焊11级钢，直径小于W18时才可采用连续闪光焊。其工艺过程是:
　　
1.2.1先闭合一次电路，使两钢筋端面轻微接触，促使钢筋间隔中产生闪光，接着徐徐移动钢筋，使两钢筋端面仍保持轻微接触，形成连续闪光过程;
　　
1.2.2当闪光达到规定程度后(烧平端面、闪掉杂质、热至熔化)即以适当压力迅速进行顶锻挤压。
　　
1.3当钢筋直径大于(D18时，应采用预热闪光焊。其工艺过程是:
　　
1.3.1在连续闪光前增加一次预热过程以扩大焊接热影响区，做到预热充分、频率高、闪光短稳强烈、顶锻快而有力;
　　
1.3.2闪光与顶锻过程同连续闪光焊。
　　
1.4焊接前应检查焊机各部件和接地情况，调整好变压器级次，选择合适参数，开放冷却水，合上电闸，始可工作。
　　
1.5钢筋端头应顺直，15。范围内的铁锈、污物应清除干净，两边钢筋轴线偏差不得超过0.5mm。如果钢筋端面不够平整，可在开始时增加一次闪光，闪平端部。
　　
1.6焊接完毕，待接头处由白红色变为黑色，才能松开夹具，平稳取出钢筋，以免产生弯曲。
　　
1.7对(D32,(D36的大直径钢筋在质量难以保证时，应尽量避免采用闪光对焊。

2 发现问题及时处理
　　
在钢筋对焊生产中，操作过程的各个环节应密切配合，以保证焊接质量。若出现异常现象或焊接缺陷，参照下表查找原因，及时清除。
　　
异常现象及缺陷的预防措施:
　　
2.1烧化过程剧烈并产生强烈爆炸声
　　
降低变压器级数;减慢烧化速度。
　　
2.2闪光不稳定
　　
清除电极底部和表面的氧化物;提高变压器级数;加快烧化速度。
　　
2.3接头区域裂纹
　　
检验钢筋的碳、硫、磷含量，若不符合规定，应更换钢筋;采取低频预热方法，增加预热程度。
　　
2.4接头弯折或轴线偏移
　　
正确调整电极位置;修整电极钳口或更换已变形电极;切除或矫直钢筋的弯头。
　　
2.5接头中有缩孔
降低变压器级数;避免烧化过程过分强烈;适当增大顶锻留量及顶锻压力。
　　
2.6钢筋表面微熔及烧伤
　　
清除钢筋被夹紧部位的锈和油污;清除电极内表面氧化物;改进电极槽口形状，增大接触面积;夹紧钢筋。
　　
2.7焊缝金属过烧或热影响区过热
　　
减小预热程度;加快烧化速度，缩短焊接时间;避免过多带电顶锻。
　　
2.8接头中有氧化膜，未焊透或夹渣。
　　
增加预热程度;加快临近顶锻时的烧化速度;确保带电顶锻过程;加快顶锻速度;增大顶锻压力。

3 严格执行质要求，实行可控施工

3.1闪光对焊的质量要求是:接头外观检查，每批抽查10%，并不少于10个。接头外观应有适当的锻粗和均匀的金属毛刺;钢筋表面无横向裂纹，无明显烧伤;接头处弯折不得大于40，接头处钢筋轴线的偏移不得大于O.ld且不大于2mm。强度检验按同一焊接参数完成的200个同类型接头为一批，应从中取6个试件，3个做拉伸试验,3个做冷弯试验。对焊接头的抗拉强度均不得低于该级别钢筋的标准抗拉强度，且断裂位置应在焊缝每侧20。以外，并呈塑性断裂;冷弯试验时，弯心直径取3d-4d,弯1800后接头外侧不得出现宽度大于0.15mm的横向裂纹。

3.2建立有效的质保体系，实行可控施工

3.2.1坚持焊工必须持证上岗，坚决杜绝违规操作。事前认真做好交底;大批盘施焊前，先试焊检验，合格后才正式作业。
　　
3.2.2焊工本身必须注重质量问题。每焊一批，都必须认真进行自检，发现不合格的自行切除重焊，直至合格。
　　
3.2.3钢筋工长在验收点数时，应进行逐根检查，外观不合格者不予验收，不计工作量，并要求焊工重焊。
　　
3.2.4专职质量员对每一批闪光对焊接头成品均要按规范要求进行抽检，并配合试验员及时取样送检，检查合格才准予使用。
　　
3.2.5严格质控流程，杜绝不合格品流人施工。

4 结　语
　　
海口市洛杉矶城A座地下室施工，采取以上加强闪光对焊质量控制的措施，有效地保证了五千多个闪光对焊接头的质量。此后，我公司施工的三亚华豫苑、博鳌亚洲论坛会展中心等等项目均坚持此做法，强化对闪光对焊接头质量的管理，杜绝了闪光对焊焊接接头的质量隐患。
　　
闪光对焊作为工程上一种常用的钢筋接长方式，其接头质量应受到更多重视，工程施工应采取必要措施来保证焊接头质量。

哈尔滨动力设备股份有限公司 梁维燕

摘要：三峡工程安装26台700 MW水轮发电机组，是世界最大的水电站，左岸14台机组利用出口信贷国际招标采购，招标文件要求外商和中国有资格的制造厂商联合设计，合作制造，并向中国制造厂商转让技术，中国制造厂商分包份额的比例不低于总价的25%，后12台机组以中国制造厂商为主。ALSTOM中标8台与哈电合作，VGS中标6台与东电合作，合同执行顺利。哈电、东电在近20年针对三峡等大型水轮发电机组开展科技攻关的基础上，消化吸收引进技术，效果良好，再进行相应技术改造，做到能够自主开发设计制造大型水轮发电机组，为我国大型水电站建设提供优质、先进、可靠的机组奠定了基础。

关键词：三峡工程； 水轮发电机组； 自主开发； 技术进步

1 三峡工程水轮发电机组概况

三峡枢纽工程主要由拦河大坝及泄洪建筑物、水电站厂房、通航建筑物等组成。水电站厂房分置泄洪坝段两侧坝后，左岸厂房安装14台机组，右岸厂房安装12台机组，共装26台700 MW水轮发电机组，总装机18 200 MW，年发电847×108kW·h，为世界最大水电站。2003年首批机组发电，2009年建成。

三峡水电站由于自然条件和以防洪为主的需要，初期水头61~94 m，后期水头为71~113 m，每年汛前水库水位降到145 m高程，防洪库容为221.5×108m3，水头变幅很大，额定水头80.6 m，给水轮机设计增加了难度。单台机组出力700 MW，75 r/min，水轮机转轮名义直径9.709 /10.427 m(VGS/Alstom),是当今世界最大的混流式水轮机转轮。机组采用三个导轴承的半伞式结构，推力轴承负荷5050/5500 t，为当今世界之最。发电机额定出力778 MVA，功率因数0.9，为提高在高水头下水轮机运行的稳定性，发电机设计最大出力840 MVA，可连续运行，发电机额定电压20 kV，采用定子绕组水冷、转子空冷的冷却方式。发电机定子机座外径21.42/20.9 m，定子铁芯内径18.5/18.8 m,铁芯高度3.13/2.95 m，都是世界最大的。采用机组大部件的强度与刚度适应热变形的结构都是保证机组稳定运行的重要因素，单台机组约重6 600 t，也是目前世界上最大的水轮发电机组。

2 三峡工程左岸厂房14台700 MW水轮发电机组的招标和技术引进

从1993年，先后邀请国际上有制造大型水轮发电机组经验的制造厂家来华进行技术交流，中方派出各种代表团到国外考察。世界最大的三峡工程、世界最大的水轮发电机组吸引着国内外制造大型水轮发电机组的厂家提出了自己的技术方案，表现独特的优势，努力争取在竞争中获胜。

1996年三峡工程左岸厂房14台700 MW水轮发电机组进行国际招标，规定投标者对提供设备的技术与经济负全部责任，要求与中国有资格的制造企业联合设计、合作制造，并向中国制造企业转让技术，中国制造企业分包份额的比例不低于总价的25%，后2台机组以中国制造企业为主。国外大型水电设备制造厂商组成5个联合体投标，形成竞争局面，议标选定Alstom与ABB中标8台，与挪威Kvaerner和哈尔滨电机厂(哈电)合作；由GE Canada和德国Voith Siemens(VGS)中标6台，与东方电机厂(东电)合作，两厂分包份额约为总价的30%，两厂分别与外商签订技术转让协议和分包合同。1997年9月中国长江三峡工程开发总公司(中国三峡总公司)与外商分别签订合同，技术转让协议和分包合同相继生效，至今合同执行比较顺利。哈电、东电派人参加试验、联合设计和技术转让培训，技术转让做到在中方计算机上安装转让软件达到国外相同计算结果并顺利使用1年后验收，技术转让深度做到转让外商自己开发的软件和执行软件的源程序。哈电、东电有几十年设计制造大型水轮发电机组的经验，近20年来，在国家支持下，开展三峡机组科技攻关的基础上，消化吸收引进技术效果较好，已经掌握水轮机水力设计与模型试验、发电机电磁设计、大部件强度刚度计算、推力轴承计算与试验、轴系稳定性计算、发电机通风冷却计算、专项关键工艺等技术，可以自主开发设计制造大型水轮发电机组。与机组配套的控制设备通过国际招标，2000年5月签订合同，14台励磁系统设备由Siemens中标，与东电合作；14台调速系统设备由Alstom中标，与哈电合作，同样向两厂转让技术并分包制造，达到较好效果。

3 三峡机组的关键技术

3.1 水轮机水力设计和模型转轮研究是决定水轮机性能的关键，应以保证机组运行稳定性和可靠性为前提国际电工委员会IEC规定在符合要求的水轮机试验台进行模型转轮验收试验做为验收水轮机性能是否满足合同条款的依据，国内外水轮机制造厂家一直在水力试验台进行能量、空化和稳定性能的研究，三峡左岸机组招标形成激烈竞争局面。最终选定的VGS(GE Canada)和Alstom(挪威Kvaerner)两个模型转轮的能量和空化性能完全达到了合同的要求，模型最高效率达95.26%/94.54%，在运行范围内无气蚀，代表当今国际上水轮机性能的最好水平，仅3年时间,中水头混流式水轮机的效率提高了1~1.5个百分点，是很大的进步。在模型验收试验中压力脉动最大值达8%~9%，超过合同保证值2到4个百分点，经过改进，再次试验，仍未达到要求，说明真机会在一定水头一定负荷下产生较大水力振动，要求在电力调度中，严格控制单机负荷在合同规定的正常运行范围内运行，以满足机组稳定性的要求。

近30年来，国内外的水轮发电机组向大容量发展，部件尺寸加大，造成结构刚度减弱，普遍存在振动问题，只好避开振动区运行。三峡机组容量和部件尺寸都是世界最大的，更应引起高度的重视。同一模型转轮应用于中小型水轮机没有产生明显的振动，说明大部件的刚度问题是形成大型水轮机振动的重要因素，应采取增加大部件刚度的措施。

国内外大型混流式水轮机转轮叶片出水边产生裂纹是影响水轮发电机组运行可靠性的较普遍现象，叶片裂纹性质属疲劳断裂，是由作用于叶片的交变动应力过大而造成的，属水力与结构设计的原因，而叶片材质、焊接、热处理工艺、运行工况等多种因素的全过程的试验研究是必要的。

哈电、东电运用引进技术的水力设计，在符合国际标准的水力试验台上对三峡水轮机模型转轮进行复试，并自选参数进行了几个转轮的计算与试验，结果说明已达到了引进技术的同等水平，正在为云南小湾、广西龙滩等700 MW级水轮发电机组进行研究开发，效果是良好的。

3.2 推力轴承是水轮发电机组安全运行的关键

三峡推力轴承负荷是世界最大的，各制造企业都有自己的传统结构与运行经验，VGS(GE
Canada)采用小螺旋弹簧簇支撑的巴氏合金瓦面材料浸油外循环结构，镜板直径5.4 m，Alstom(ABB)采用不同直径园柱肖支撑双层瓦的巴氏合金瓦面材料浸油外循环结构，镜板直径5.2 m，推力轴承各项参数都在常规范围以内。ABB与哈尔滨大电机研究所合作，在3 000 t推力轴承试验台用半数真机推力瓦完成全负荷试验，测定各项真机运行数据，保证机组可靠运行。在与国外技术交流中，进一步了解俄罗斯电力工厂采用弹性金属塑料瓦面材料已有近30年的运行经验，国内许多水电站已经采用，用户普遍欢迎，国内制造厂新设计的水轮发电机组都采用弹性金属塑料瓦面材料，可以取消高压油顶起系统，更适用于三峡机组年起停500次的运行条件，可以提高比压，减小镜板直径，降低损耗。在国内有多年设计、制造、运行的经验基础上，结合三峡机组的引进技术，国内制造企业已经掌握大型推力轴承的设计制造技术，充分发挥我国推力轴承试验的有利条件，继续开展推力轴承支撑结构和弹性金属塑料瓦的试验研究工作，能够用于三峡右岸机组。

3.3 发电机定子线棒绝缘是保证机组可靠运行和决定发电机寿命的关键部件

发电机定子线棒绝缘耐热等级提高到B级、F级以来，世界上同时存在两大技术流派：一是以西屋公司为代表的(包括ABB、Siemens公司等)制造企业，采用少胶带VPI工艺，即以少胶云母带包扎后，在罐中抽真空加压浸渍树脂。少胶云母带储存期较长，一批线棒入罐浸渍树脂加温使绝缘固化，生产效率较高；另一是以GE公司为代表的(包括俄罗斯电力工厂、法国Alstom公司等)制造企业，采用多胶带液压工艺，即以含有固化剂的多胶云母带包扎后，一批线棒入罐液压工艺，以沥青为介质加温加压使绝缘固化。国内传统原是多胶带液压工艺，70年代以来，为改进线棒三维形状，采用多胶带模压工艺，并将半导体防晕层一次模压完成，虽然应用压模较多，生产效率较低，但线棒形状是最好的。近20多年来，用多胶模压定子线棒在制造、下线、安装、运行中无一绝缘击穿故障。不同的工艺制造出的定子线棒绝缘性能是同等的，绝缘厚度是相同的，哈电、东电制造的定子线棒质量是稳定的。

由VGS和Alstom提供的三峡发电机都是采用定子绕组水冷、转子空冷的冷却方式，额定电压20 kV，Siemens和ABB提供定子线棒主绝缘都是少胶带VPI工艺制造的，单侧绝缘厚度都是4.5 mm。如果哈电、东电引进技术，就要增加新设备，绝缘材料都要进口，掌握少胶带VPI技术达到质量稳定还要有一个过程，而且外商只限于应用到三峡机组，经过协商，外商同意哈电、东电按多胶带模压工艺制造，真机线棒选送到外商检验测试，满足外商技术要求，并经中国三峡总公司认可，分包合同中各2台定子线棒由国内提供，现已试验完成。国内制造线棒用于外商技术负责的发电机中，这的确是一项很大的进步，为今后技术发展奠定了基础。

4 三峡工程的实践为我国大型水电站建设提供水轮发电机组立足于国内奠定了基础

三峡工程水轮发电机组的单机容量(最大出力840 MVA)和部件结构尺寸是世界最大的，引进了世界著名制造厂家的先进技术，培养了一批年轻的技术骨干，形成了一支老中青结合的技术队伍，具备自主开发设计制造大型水轮发电机组的能力，按照国际先进技术标准和材料标准进行设计制造，制造企业进行了相应的技术改造，建立了质量保证体系和科学管理制度，使我国水轮发电机组制造水平和能力具有国际竞争力。

4.1 大型水轮发电机组可以立足于国内自主开发设计制造

通过三峡工程建设，全面引进了国外大型水轮发电机组的先进技术，并已了解国外主要制造厂家的技术特点，应积极消化吸收引进技术，博采众长，继续开展科研工作，有所创新，形成具有自主知识产权的系列技术。新建大型水电站应与国内制造厂家密切合作，从初可研阶段就提出机组选型的方案，开展科研工作，认为有必要时，可以与国外厂家合作或引进单项技术，做到自主设计制造。三峡工程水轮发电机组是国际招标，设计、制造、试验要求符合有关国际技术标准，国内分包合同也是同样要求，国内技术标准陆续与国际接轨，实践说明，国内水轮发电机组制造水平是可以满足国际技术标准要求的。

4.2 大型水轮发电机组材料与配套件的采购立足于国内，促进我国工业发展

三峡工程水轮发电机组是国际招标，选用材料与配套件除润滑油采用我国国家标准（GB）外，全按国际技术标准采购。国内技术标准逐步与国际接轨，三峡水轮发电机组国内分包中有些关键材料与配套件是进口的。为了推动材料和配套件在国内采购，原国家机械工业局、原国家冶金工业局和中国机械工业联合会先后组织国内有关专家对钢材、铸锻件、标准紧固件、有色金属材料和绝缘材料进行对照国内外技术标准和优选供货厂家推荐给机组总供货外商和中国三峡总公司审定批准的国内分包商采购，结果是一部分由国内材料制造厂家按国际技术标准制造供应，一部分是按国内标准制造供货。转轮铸件国内已经按国外铸件实际性能试制成功，并经国家鉴定，今后大型铸锻件可以由国内供应。我国加入WTO以来，国内机组制造厂家可以在国内外择优比价采购材料与配套件，更有利于保证机组质量。

4.3 国内机组制造厂家通过技术改造形成了强大生产能力

国内厂商进行技术改造，增加高水头水力试验台等科研手段，添置大型五轴数控龙门铣床加工转轮叶片型线和焊接坡口，添置大型数控立车、大型数控卧车、先进焊接设备等，能够焊接加工大型部件，现有装备条件优于国外同行业水平，应充分发挥国内力量满足大型水电发展的需要。三峡工程左岸14台机组的中标外商是国际一流的，但实际制造供货分散在17个国家100多个工厂，有经验的老制造工厂只生产一些关键部件，甚至关键的定子线棒Siemens公司交给巴西工厂制造，责任在总供货外商，产品质量有待实践检验。

4.4 国内水轮发电机组制造厂家要认真学习国外经验，吸收引进技术，切实加强管理

国外制造厂家各有一套完整详细的指导性技术文件，外商派来的任一位驻工地代表可以在这套文件查阅出指导工地安装操作的技术规范、工艺规程、记录表格等，是传递技术经验的“天书”。在制造厂内严格要求生产工人按设计、工艺、标准生产操作，养成良好习惯，精益求精，一丝不苟，严格检验与记录，使质量保证体系有效地运行，保证质量和按合同期交货，做好售后服务，使用户满意。

作者简介：梁维燕，中国工程院院士，哈尔滨动力设备股份有限公司董事。

摘要: 针对焊接时薄板构件产生焊接热裂纹倾向大的缺点，从力学角度出发，采用随焊锤击的焊接新工艺，并利用试验和测试技术，来达到防止薄板焊接热裂纹的目的，开辟一条解决焊接热裂纹的新途径。讨论了随焊锤击防止热裂纹的基本原理，对比了常规焊条件下和随焊锤击工艺条件下，试件的裂纹率情况，试验结果表明：随焊锤击能够有效地防止焊接热裂纹的产生。
关键词: 随焊锤击 焊接热裂纹 脆性温度区间 裂纹率

PROCESS OF AVOIDING WELDING HOT CRACKING OF THIN　PLATE WITH TRAILING PEENING
Harbin Institute of Technology Fang Hongyuan, Dong Zhibo, Xu Wenli

Abstract
In order to reduce the tendency of hot crack in thin plate welding, a new process named Welding with Trailing Peening (WWTP) is used to prevent the weldments from welding hot crack by experiments and measurements from the view of mechanics. And the fundamental principle of WWTP is discussed. Comparing the crack rate on both condition of common welding and welding with WWTP, experimental results show that WWTP is an effective method to control welding hot crack.
Key words：
welding with trailing peening, welding hot crack, BTR, cracking rate

0 前 言
　　热裂纹是在焊接时高温下产生的[1］。根据所焊金属材料的不同，产生热裂纹的形态、温度区间和主要原因也各有不同。关于焊接热裂纹理论，国外在20世纪50年代就已经开始研究，目前公认较完善的是Прохоров理论[2］。该理论认为结晶裂纹的产生与否主要取决于以下三个方面：脆性温度区间的大小，在脆性温度区间内合金所具有的延性以及在脆性温度区间金属的变形率大小。
　　焊接热裂纹是冶金因素和力学因素共同作用的结果，在焊接热裂纹的控制方面，以往主要是从冶金角度出发，设法改善焊接金属的抗裂性。但是从冶金角度防止热裂纹有其局限性。一方面不易防止近缝区的液化裂纹，因为这种热裂纹主要与母材成分有关。另一方面由于引入与母材异质的焊丝可能会牺牲部分接头使用性能。因此，对于薄板来说，单从冶金角度来控制焊接热裂纹是非常困难的。而从力学角度防止焊接热裂纹的实质就是调整和改善焊接时的应力和应变情况，即采取适当措施使处于脆性温度区间的焊缝或热影响区金属承受一种外加压缩应变，以抵消焊接凝固过程中凝固收缩和热收缩及外部应力造成的致裂拉伸应变。力学角度防止焊接热裂纹的主要方法有：碾压法[3］ 随焊锤击方法是一种新的控制焊接热裂纹的力学方法，这种方法的基本原理与碾压法相似。但随焊锤击与碾压法相比又具有自己的独特优点：实验设备简单、质量轻，并且可以广泛适用于具有直焊缝和封闭环焊缝的焊接工件，对于控制焊接热裂纹和焊缝横向及纵向变形都非常有效。因此，随焊锤击工艺在控制焊接热裂纹和焊接变形方面的研究具有光明的前景。
1 随焊锤击法防止焊接热裂纹的基本原理
1.1 热裂纹产生的基本机理
　　为了更好地说明随焊锤击防止焊接热裂纹的基本原理，首先讨论一下，常规焊条件下热裂纹产生的基本机理。从力学角度来讲，焊接热裂纹的产生是由于在脆性温度区间焊缝或热影响区金属所承受的拉伸应变率大于它们的临界应变率（CST），如图1所示。

　　式中，ε为焊缝或热影响区冷却时受到的内部应变或真实应变，T为温度。设εe为表观应变值，T为热应变，α为金属的热膨胀系数，则

　
　　时，即可防止焊接热裂纹的产生。
1.2 随焊锤击防止焊接热裂纹的基本原理
　　在焊接过程中，热裂纹常产生于脆性温度区间（BTR）内，满足dε/dT＞CST条件时，则会产生焊接热裂纹。当焊缝或热影响区金属处于脆性温度区间时，在熔池后方一定距离内放置一气锤，跟随焊枪后方同步锤击BTR两侧金属，如图2所示。由于锤头距离熔池较近，锤头下方的金属处于较高温度。因此，锤头锤击焊缝两侧 金属时，在锤头锤击力的作用下，会对处于BTR的焊缝或热影响区金属产生横向压应变εc，以满足dε/dT-dεc/dT<CST，抵消焊接时不均匀加热产生的致裂拉应变，从而起到防止焊接热裂纹的目的。
2 实验结果与分析
　　本文在焊接热裂纹的工艺实验中，焊接方法选用交流自动钨极氩弧焊，试件为焊接热裂纹倾向大的2A12铝合金，采用不填丝的表面熔敷方式焊接，并利用梯度拘束度夹具，通过调节夹紧力Fr和夹持距离Lr灵活地改变拘束度，从而能够反映实际生产条件下的真实裂纹行为。
　　在实际焊接生产过程中，工件不一定产生焊接热裂纹，而本实验中，采用这种梯度拘束度夹具来产生比较苛刻的拘束度，主要目的是使实验试件在焊接过程中产生焊接热裂纹，以便验证随焊锤击控制焊接热裂纹的有效性。实验中以裂纹率Lcr%作为热裂纹倾向评定指标，其表达式如下：
　　　Lcr%=Lcr/Ltotal
式中 Lcr-裂纹总长度
Ltotal-焊道长度　　
2.1 实验试件
在随焊锤击工艺实验中，为了更好地对焊接热裂纹进行研究，采用了如图3所示的150 mm×100 mm×2 mm的试件。
　　
2.2 常规焊条件下拘束度对裂纹率的影响
2.2.1 拘束力对焊接热裂纹的影响
　　图4给出了夹持距离Lr=20 mm、收弧端拘束力F收=120 N.m时，改变起弧端拘束力F起时焊接热裂纹试验结果。由图可知，当起弧端拘束力F起=0时，裂纹从起焊端引发，裂纹率最高，随焊随裂，裂纹贯穿整个焊道。适当加以拘束（F起=20 Nom），裂纹率显著降低。继续增加拘束力，裂纹率下降变缓，焊件只留有一定的弧坑裂纹。 图4 起弧端拘束力对焊接热裂纹率的影响
　　　　　　　　　　　　　　　　
　　图5给出了夹持距离Lr=20 mm、起弧端拘束力F起=20 Nom时，改变收弧端拘束力F收时焊接热裂纹试验结果。由图可以看出，随着收弧端拘束力的增加，裂纹率逐渐增加并最终趋于稳定。

　　　　　　　　　　　　　　　
2.2.2 夹持距离对焊接热裂纹率的影响
　　图6给出了当拘束力为F起=20 Nom、F收=120 Nom时夹持距离对焊接热裂纹率的影响。由图中可以看出，随着夹持距离的增加，裂纹率逐渐降低。当夹持距离大于60 mm时，试件在焊接过程中上拱严重，已不能保证正常焊接。当F起=20 Nom、F收=120 Nom、Lr=20 mm时，产生明显的收弧端裂纹。

　　　　　　　　　　　　　　　　
2.3 随焊锤击条件下参数对裂纹率的影响
　　在本实验中，为了验证随焊锤击对控制焊接热裂纹的有效性，采用了出现焊接热裂纹倾向比较大的实验参数：夹持距离Lr=20 mm、起弧端拘束力F起=40 Nom、收弧端拘束力F收=120 Nom。这里起弧端拘束力为40 Nom，没有采用较小的拘束力，因为当起弧端拘束力较小的时候，裂纹一般在起弧端开裂，不利于进行随焊锤击的工艺实验，因此，采用了以上实验参数。
　　随焊锤击对焊接热裂纹的控制作用，其影响参数较多，如：锤击力、锤击距离（锤头与焊枪的距离）、锤击位置、锤击频率、锤头形状等。本文中主要讨论两个参数：锤击力P和锤击距离R锤。
2.3.1 锤击力对焊接热裂纹的影响
　　图7给出了锤击力对焊接热裂纹的影响，锤击距离R锤=20 mm。从图中可以看出，锤击力在小于2 MPa和大于5 MPa时焊件的裂纹率均比较大，锤击力2~5 MPa之间时裂纹率较低，基本上属于弧坑裂纹。因此，锤击力在此范围内时，可有效地控制焊接热裂纹的产生。因为当锤击力较小时，锤击作用形成的应变量不足于抵消焊接过程中不均匀加热形成的致裂拉应变，控制热裂纹的效果不明显。当锤击力较大时，锤击会导致焊接熔池产生较大的振荡，反而会促进热裂纹的进一步产生。因此，在本实验条件下，锤击力为2~5 MPa范围内时，锤击工艺效果较好。

　　　　　　　　　　　　　　　
2.3.2 锤击距离对焊接热裂纹的影响
　　在实验中，锤击距离对焊接热裂纹的影响也比较明显，如图8所示，实验的锤击力为P=4 MPa。
结果表明：锤击距离R锤=17 mm时裂纹率较大，锤击距离R锤=20 mm时裂纹率较小，且随锤击距离的增大，裂纹率增大。因为当锤击距离较小时，锤击位置离焊接电弧太近，锤击对焊接熔池产生严重振荡，会促进热裂纹的产生。当锤击距离较大时，锤击的部位离产生热裂纹的敏感位置太远，对于减少热裂纹的效果也不明显。因此，在本实验条件下，锤击距离应控制在20~23 mm左右，锤击工艺控制热裂纹的效果较好。

　　　　　　　　　　　　　　　　　
3 结 论
　　针对薄板构件产生焊接热裂纹倾向大的缺点，本文对随焊锤击工艺控制焊接热裂纹的有效性试验进行了研究，研究成果表明：
(1) 对于本实验所采用的150 mm×100 mm×2 mm</sub>的试件，在一定的拘束力和拘束距离条件下，锤击力为2~5 MPa范围内，锤击距离控制在20~23 mm左右时，随焊锤击工艺控制焊接热裂纹的效果较好，而对于不同的试件和焊接条件，应采用不同的焊接锤击参数。
(2) 随焊锤击工艺实验是在较苛刻的拘束度条件下进行的，但焊接热裂纹率却明显比常规焊条件下的小，而实际焊接生产中的拘束条件并没有这么苛刻。因此，随焊锤击工艺在实际生产中定能够有效地控制焊接热裂纹的产生。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　参　考　文　献

1 周振丰, 张文钺. 焊接冶金与金属焊接性. 北京：机械工业出版社, 1988:190~210
2 Prokhorov N N. Problems of the strength of metals in the process of solidification during welding. Welding Production, 1956 (6):5~11
3 刘伟平. 反应变法防止高强铝合金LY12CZ焊接热裂纹的研究. 哈尔滨工业大学博士论文, 1989.
4 Borland J C. Fundamentalsof olidification cracking in welds (Part2).Weldingand Metal Fabrication,1979(3):100~107
5 田锡唐，郭绍庆，徐文立. 随焊激冷对LY12CZ铝合金焊接热裂纹倾向影响的研究.宇航材料工艺,1998，28(5):48~52

【关键词】钢板,复合材料,腐蚀,焊接工艺评定

【论文摘要】复合钢板焊接的实质是基层材料的焊接和在基层材料上堆焊耐蚀层，了解这一点对合理进行复合钢板的焊接工艺评定至关重要。

Abstract:The welding of clad steel plates is essentially the combination of welding of base metal with overlaying of corrosion resistant deposit on the base metal. This acknowledgement is helpful for properly performing the qualification tests.
Key words:steel plate; composite;corrosion; welding procedure qualification

　　使用复合钢板建造化工设备和压力容器是为了节约贵重耐腐蚀金属材料，同时利用低合金高强度钢作基层，提高设备承压能力，从而实现使用性能和经济效果优化组合的目的。ASME规范第Ⅸ卷，第QW-217条，是关于复合钢板焊接工艺评定的专门条文［1］，是目前最全面、最合理的规定。

1　复合钢板焊接本质
　　以单面坡口为例(图1)，复合钢板的焊接分两步来完成：①焊接基层，把基层坡口填充至H深度，H小于复合钢板的基层厚度T。这样做的目的是为了防止焊接基层部分时熔化复层金属。这一阶段的焊接与焊接单一基层材料没有任何区别。②焊接复层，其基本要点是保持尽量浅的熔深， 以减轻基层材料对耐蚀 熔敷金属的稀释作用。不难看出，这一阶段焊接的实质，就是在基层材料上堆焊耐蚀金属。
　　把复合钢板的焊接明确理解为基层材料的焊接和在基层材料上堆焊耐蚀金属，对正确理解ASME规范关于复合钢板焊接工艺评定条款，恰当而灵活地进行评定实验，并充分利用评定结果是至关重要的。

图1　单面坡口焊接

2　ASME规范规定
2.1　评定方法
　　当设计计算计入复层金属厚度时，需要用复合钢板进行评定实验。在拉伸试件和弯曲试件上都必须保留全厚度的复层金属。
　　对强度计算时不考虑复层金属厚度的情况，规范规定了两种方法。第一种方法与前面的相同。第二种方法则完全不用复合钢板，只用基层材料，分别制备1件坡口焊试板和1件耐蚀金属堆焊试板，再分别在其上取样进行力学性能实验和耐蚀堆焊金属化学成分分析。
2.2　评定范围
　　不论上述哪一种情况，也不管采用哪一种方法进行评定。评定的基层金属厚度都是由实际焊接的基层金属厚度按第QW-451条的规定确定的。熔敷金属的评定厚度，对基层焊缝也由所用焊接方法实际熔敷的厚度按第QW-451条来确定。耐蚀熔敷金属的评定范围，下限由化学成分分析来确定，上限没有限制。对复合钢板复层金属(母材)，没有评定厚度范围的规定和限制。

3　讨　论
3.1　力学性能实验
　　对设计计算时计入复层金属厚度的情况，拉伸试件和弯曲试件上都必须保留全厚度的复层材料。对强度计算时不考虑复层材料厚度的情况，当采用复合钢板试板进行评定实验时，拉伸试件上的复层材料一定要加工去除。这种方法不如采用基层材料试板进行评定更为方便。
3.2　腐蚀实验和化学成分分析
　　(1)ASME规范把复合钢板复层焊接工艺的评定，规定为按照在基层材料上堆焊耐蚀层的方法进行。无论ASME规范，还是我国JB 4708—92都规定，对耐蚀堆焊层只进行化学成分分析，而不进行腐蚀实验。很明显其隐含的意思是只要分析部位的化学成分符合规定，分析部位以上的堆焊金属就具有要求的耐腐蚀性能，勿须实验证明。所以复合钢板的焊接工艺评定，不管采用哪种方法都不需要进行腐蚀实验。
　　(2)ASME规范1992年以前的版本以 及 我 国JB 4708－92对耐蚀堆焊层的取样方法规定相同，见图2a。即先确定评定平面位置，把评定平面以上的堆焊金属加工弃去。然后从评定平面往下0.5 mm范围内取样，进行化学分析。如分析结果合格，则从熔合线到评定表面的距离为评定的最小堆焊层厚度。

图2　取样位置

　　从1995年版开始，ASME规范把耐蚀堆焊层的分析取样图改成了图2b所示的形式。规定直接在确定的评定表面上或从评定表面往下取样进行化学分析。评定的最小堆焊层厚度为熔合线至评定平面或取样钻孔上边缘的距离。图中t1～t5为根据分析或取样位置不同，评定的最小堆焊厚度可能值。
3.3　与其他焊接工艺评定的关系
　　ASME规范对复合钢板焊接工艺评定的规定，不仅恰如其份地体现了复合钢板焊接的实质，而且建立起了复合钢板焊接工艺评定与基层材料坡口焊评定及耐蚀层堆焊评定之间的关系。尤其强度计算不计复层材料厚度，又不用复合钢板，而只用基层材料进行评定时，这种关系表现得尤为明显。这对实际评定工作带来以下几点方便。
　　(1)一个单位在第一次制造复合钢板设备之前，一般生产过许多台单一材料的钢制设备，积累有许多项焊接工艺评定报告。如果复合钢板的基层材料与过去评定实验用的试板材料相同或可以划归在同一分类号之下，其他条件又在覆盖范围之内，则完全可以用已完成的评定支持复合钢板基层材料的焊接工艺，而不必另做重复评定。在这种情况下，只需做一项耐腐蚀堆焊评定就够了。
　　(2)一个单位在生产首台复合钢板设备之前，还可能制造过不锈钢设备。为节约不锈钢材料，现在大多数不锈钢设备上的人孔和大直径接管都采用组合形式，其典型结构见图3。其中焊缝A焊接的实质，就是在碳素钢或低合金钢上堆焊耐蚀层。如果其他条件都在覆盖范围之内，那么为焊接象图3中A这类焊缝而完成的焊接工艺评定，也同样可以用来支持复合钢板复层材料的焊接，而不必重新评定。所以为制造复合钢板设备，即使是刚起步，也不一定需要进行全套焊接工艺评定工作，甚至一项都不需要做也有可能。
　　(3)为制造复合钢板设备完成的焊接评定，尤其是用复合钢板材料、拉伸试件不保留复层材料或只用基层材料完成的焊接工艺评定，其中对基层的评定结果，完全适用于单一基层材料设备的焊接。为复层焊接完成的评定，也可以用于其他堆焊场合，如大面积堆焊，复合钢板复层的修复，衬里设备上的焊点及图3中A类焊缝的焊接。

图3　开孔接管结构

图4　常用坡口形式

　　评定实验过程：先在基层材料的试板上堆焊过渡层，测量堆焊层表面至基体表面的距离，如果超过2 mm，则加工至2 mm。再在其上堆焊覆面层，而且只堆焊一层。在作了表面渗透检验和取出4个侧弯试件后，把堆焊层加工到距基体表面2.5 mm处，这就是评定面位置。由此平面往下在0.5 mm范围内取样，进行化学成分分析，见图5。按这种方式完成的多项评定，如果分析结果都符合焊条标准中对焊接复面层所用焊条熔敷金属的规定范围，即评定均为合格。这样评定的最小堆焊层厚度为至基体表面2.5 mm，至过渡层表面0.5 mm。用于复层厚度3 mm的复合钢板焊接，至少保证自复层钢板外表面起1.5 mm范围内的熔敷金属满足抗腐蚀性能要求。

图5　评定面位置示意

　　(2)元素分析　由于使用的化学分析方法不够先进，取出供分析的样品有限。所以只分析了决定不锈钢焊缝腐蚀性能的主要元素C、Cr、Ni、Mo和Nb，而没有分析Mn、Si、S和P。这样完成的焊接工艺评定报告，提交外方审查(指出口设备)被认可，授权检验师也没有提出异议。尽管如此，但总觉得尚有待改进和完善。

4　实际应用
　　近几年，作者完成过许多项为制造复合钢板设备所需要的焊接工艺评定，这些设备都是按复层材料只起抗腐蚀作用设计的。
4.1　基层材料焊接工艺评定
　　设备的基层材料为20R、16MnR和15CrMoR(国内设备)及SA-516、Cr60与SA-516Gr70(出口设备)，由于已有许多项用这些材料完成的焊接工艺评定报告，经审查合用，所以没有再重新进行评定。
4.2　复层材料的焊接工艺评定
　　用在基层材料上堆焊耐腐层的方法进行评定。
　　(1)评定面位置确定　常用坡口形式见图4a。基层焊完后，先焊过渡层至越过复层和基层材料的结合面约1 mm，然后再焊覆面层。

5　结　论
　　复合钢板焊接的实质是焊接基层材料和在基层材料上堆焊耐蚀金属，以文中述及的认识为基础而确定的复合钢板焊接工艺评定方法是合理的，在大多数情况下可以减少评定项目，并扩展评定结果的应用范围。

作者简介：郭晶(1937-)，男(汉族)，山西省洪洞县人，1962年结业于清华大学焊接工艺及设备专业，教授级高工，现在从事压力容器焊接工艺工作。
作者单位：大连南海压力容器制造厂，辽宁 大连　116031

参考文献：
［1］　ASME boiler and pressure vessel code, sec.Ⅸ［S］.New York：ASME，1995.