便攜式免軌細(xì)絲埋弧焊接技術(shù)研究

任旭暉

(中鐵六局集團(tuán) 建筑安裝工程有限公司，山西　太原　030003)

·技術(shù)經(jīng)驗(yàn)·

便攜式免軌細(xì)絲埋弧焊接技術(shù)研究

任旭暉

(中鐵六局集團(tuán) 建筑安裝工程有限公司，山西太原030003)

摘要為了解決采用CO2氣體保護(hù)焊加工鋼箱梁橋面板加勁肋而導(dǎo)致的焊絲熔敷率較低、焊縫成型不好、焊接飛濺大、焊接煙塵污染嚴(yán)重及焊后打磨處理量大等問題，并提高焊接作業(yè)效率，優(yōu)化焊縫成型質(zhì)量，減小變形矯正量，對(duì)綜合埋弧焊和氣體保護(hù)焊在應(yīng)用技術(shù)上的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行了對(duì)比，分析了通過自制曲面反變形胎具，改制設(shè)備自動(dòng)化焊接系統(tǒng)，使用焊劑充當(dāng)保護(hù)焊縫介質(zhì)來實(shí)現(xiàn)板單元件加勁肋的自動(dòng)焊接，進(jìn)行了類似結(jié)構(gòu)件加工制作，取得了良好效果。

關(guān)鍵詞正交異性板；反變形胎具；便攜式免軌；細(xì)絲埋弧焊；板單元件加勁肋

1概述

隨著國(guó)內(nèi)橋梁鋼結(jié)構(gòu)業(yè)的蓬勃發(fā)展，鋼箱梁結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于鐵路鋼橋、公路立交橋等工程中。鋼箱梁橋面板通常為正交異性板結(jié)構(gòu)形式，此類結(jié)構(gòu)焊接操作難，結(jié)構(gòu)變形矯正量大。由于傳統(tǒng)的焊接方式會(huì)產(chǎn)生諸多弊端，為了解決鋼箱梁橋面板加勁肋, 針對(duì)采用手工電弧焊或者手工CO2氣體保護(hù)焊加工而導(dǎo)致的焊絲熔敷率較低、焊縫成型不好、焊接飛濺大、焊接煙塵污染嚴(yán)重，焊材成本較高及焊后打磨處理量大等缺點(diǎn)，并提高焊接作業(yè)效率，優(yōu)化焊縫成型質(zhì)量，減小變形矯正量，對(duì)綜合埋弧焊和氣保焊在應(yīng)用技術(shù)上的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行了研究。通過自制曲面反變形胎具，改制設(shè)備自動(dòng)化焊接系統(tǒng)，使用焊劑做為保護(hù)焊縫介質(zhì)來實(shí)現(xiàn)板單元件加勁肋的自動(dòng)焊接，在工程加工制作過程中取得了良好的效果。該技術(shù)較適合加工此類結(jié)構(gòu)件，在太興鐵路西北環(huán)單孔80 m跨系桿拱橋加工制作過程中取得了良好的效果，現(xiàn)總結(jié)施工方法如下：

2工藝特點(diǎn)

通過對(duì)手工、設(shè)備和工藝的改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)細(xì)絲埋弧自動(dòng)焊，克服手工CO2氣體保護(hù)焊焊縫成型差、埋弧焊無法實(shí)施、焊材成本高的焊接難題，提高了焊縫質(zhì)量和生產(chǎn)效率。

2.1　CO2氣體保護(hù)焊缺點(diǎn)

CO2氣體保護(hù)焊由于軌道和電氣系統(tǒng)的局限性，焊縫外觀和內(nèi)在質(zhì)量均有諸多問題顯現(xiàn)，且難以規(guī)避。比如，焊縫的均勻性、氣孔、夾渣、飛濺以及弧光對(duì)人體的傷害等都會(huì)不同程度的出現(xiàn)。

2.2　免軌細(xì)絲埋弧焊優(yōu)點(diǎn)

相對(duì)于半自動(dòng)CO2氣體保護(hù)焊，免軌細(xì)絲埋弧焊通過機(jī)電系統(tǒng)自動(dòng)送絲和爬行，具有焊接速度快、焊絲熔敷率高、無飛濺、無弧光、焊縫成形美觀等優(yōu)點(diǎn)；同時(shí)避免了傳統(tǒng)埋弧焊的軌道連接，自動(dòng)化程度較高，焊接缺陷少，返修率低，生產(chǎn)效率高。

3工藝的研究及改進(jìn)

在板單元件制作過程中，通過對(duì)CO2氣體保護(hù)焊和埋弧自動(dòng)焊設(shè)備的綜合改進(jìn)，施焊中修改焊接電流、電壓、速度，并采用與之相匹配的焊絲、焊劑，實(shí)現(xiàn)了細(xì)絲埋弧自動(dòng)焊，克服了CO2氣體保護(hù)焊不易操作、焊縫成型差、工作效率低，埋弧焊受作業(yè)條件限制的焊接難題，便于人工移動(dòng)，消除了對(duì)焊接軌道的依賴，提高了焊縫質(zhì)量和生產(chǎn)效率。

4施工工藝流程及操作要點(diǎn)

以太興鐵路80 m系桿拱橋面板單元件加工制作為例，對(duì)細(xì)絲埋弧焊接技術(shù)應(yīng)用進(jìn)行介紹(針對(duì)兩種焊接方法做對(duì)比試驗(yàn)：實(shí)芯焊絲CO2氣體保護(hù)自動(dòng)焊和便攜式免軌細(xì)絲埋弧焊)：

4.1　工藝流程

專用反變形胎架選備→配置細(xì)絲埋弧焊自動(dòng)化系統(tǒng)→焊前準(zhǔn)備→焊接作業(yè)及過程控制→試驗(yàn)對(duì)比分析→焊后矯平。

4.2　操作要點(diǎn)

4.2.1專用反變形胎具選備

1) 鋼箱梁面底板U肋焊接產(chǎn)生的4種變形：縱向收縮變形、橫向收縮變形、面外縱向彎曲變形及角變形(見圖 1).

圖1　鋼箱梁面底板U肋焊接產(chǎn)生的4種變形示意圖

2) 4種變形產(chǎn)生的原因：

a) 焊接時(shí)，U型肋角焊縫和周圍熱影響區(qū)的鋼材在凝固和冷卻過程中會(huì)發(fā)生收縮，導(dǎo)致板單元的縱向和橫向收縮變形以及縱向面外彎曲變形。

b) 由于是在面板的單側(cè)施焊，沿面板的厚度方向存在溫度梯度，所以面板有 U 型肋角焊縫的一面比另一面發(fā)生了更大的收縮，在焊縫處形成了角變形。

c) 實(shí)際情況中，板單元的整體變形是由4種基本形式組合的復(fù)雜變形。

3) 面底板U肋焊接完變形的校正：

面底板U肋焊接完后，一旦產(chǎn)生變形一般采用火焰加熱的方法加以矯正。采用火焰加熱的方法矯正焊接變形的同時(shí)存在以下幾個(gè)方面的問題：

a) 由于面底板U肋焊接完后產(chǎn)生的變形較大，采用火焰校正工作量大，火焰校正變形不容易控制。

b) 火焰校正的溫度如果控制不好，會(huì)損害鋼板的力學(xué)性能。

c) 火焰校正時(shí)需要的人工較多，同時(shí)會(huì)造成氣體的浪費(fèi)。

4) 利用反變形胎架來降低鋼箱梁面底板U肋焊接的變形率。面底板U肋角焊縫采用便攜式免軌細(xì)絲埋弧焊接時(shí)產(chǎn)生的線能量不大，且焊接運(yùn)行均勻，所產(chǎn)生的焊接應(yīng)力分布有規(guī)律。經(jīng)過對(duì)一個(gè)聯(lián)長(zhǎng)的面底板U肋施焊試驗(yàn)，確定其焊后變形趨勢(shì)及量值，針對(duì)這些變形方向和量值設(shè)計(jì)反變形焊接胎架，給單元件在焊接前施加反方向等變形量值的預(yù)變形，使焊后變形量正好與其反變形量相抵消。經(jīng)過對(duì)一個(gè)聯(lián)長(zhǎng)的焊接驗(yàn)證：?jiǎn)卧附雍蟮淖冃蔚玫接行У目刂啤?/p>

為了使面板單元件U形肋焊接熔深及成形更好，將反變形焊接胎架傾斜一定角度，使焊接質(zhì)量大大提高，即將焊接胎架做成左右可轉(zhuǎn)動(dòng)，剛度較大的胎架，并由液壓系統(tǒng)提供原始動(dòng)力，使面板U形肋焊接質(zhì)量得到保證(見圖2).

圖2　反變形焊接胎架示意圖

4.2.2配置細(xì)絲埋弧焊自動(dòng)化系統(tǒng)

常規(guī)的埋弧自動(dòng)焊焊機(jī)一般由焊接電源、埋弧焊小車及小車行走軌道組成。板單元件的焊接在液壓反變形旋轉(zhuǎn)胎架上進(jìn)行，為提高焊接時(shí)的焊絲熔敷效率，選用焊絲d1.6 mm細(xì)絲進(jìn)行埋弧自動(dòng)焊，電流為250～350 A.采用額定電流為500 A的二氧化碳焊機(jī)，滿足了細(xì)絲埋弧焊對(duì)焊接電流的要求，并將氣體保護(hù)嘴更換為d1.6 mm的導(dǎo)電嘴，將二氧化碳保護(hù)氣體更換為埋弧焊劑進(jìn)行焊接保護(hù)。對(duì)設(shè)備進(jìn)行改進(jìn)，改變焊絲直徑和電弧保護(hù)介質(zhì)，焊接電弧控制原理沒有改變。

4.2.3焊前準(zhǔn)備

該工程鋼材材質(zhì)為Q345qD，根據(jù)焊材須與母材匹配以確保力學(xué)性能的原則，經(jīng)過多次試驗(yàn)反復(fù)對(duì)比，埋弧焊采用H10Mn2焊絲+SJ101焊劑的組合，細(xì)絲埋弧焊的焊絲規(guī)格d1.6 mm；實(shí)芯焊絲ER50-6，規(guī)格為d1.2 mm.

焊縫清理：焊接前需對(duì)接口的鈍邊、坡口進(jìn)行銑制，控制好對(duì)接間隙，采用砂輪機(jī)對(duì)焊縫及其周邊100 mm以內(nèi)的鐵銹、油污、夾渣、夾碳等進(jìn)行清理。

4.2.4焊接作業(yè)及過程控制

埋弧焊接時(shí)焊接電流250～350 A，焊接電壓為28～30 V，焊接速度為22 m/h；在焊縫兩端加引入和引出弧板，以保證焊縫的端部質(zhì)量。焊縫表面應(yīng)平整，焊縫與母材應(yīng)圓滑過渡，焊縫及其熱影響區(qū)表面不允許有咬邊、裂紋、氣孔、夾渣、弧坑等缺陷。

4.2.5試驗(yàn)對(duì)比分析

1) 數(shù)據(jù)分析。

母材的化學(xué)成分和力學(xué)性能見表1,表2，實(shí)芯焊絲CO2氣體保護(hù)焊選用ER50-6，焊絲d1.2 mm，符合GB/T 8110-2008《氣體保護(hù)電弧焊用低合金鋼焊絲》的要求。新型細(xì)絲埋弧焊選用H08Mn2焊絲+SJ101焊劑，焊絲d1.6 mm，符合GB/T 12470-2003《埋弧焊用低合金鋼焊絲和焊劑》的要求。焊接材料的化學(xué)成分和力學(xué)性能見表3，表4.實(shí)芯焊絲CO2氣體保護(hù)自動(dòng)焊和新型細(xì)絲埋弧自動(dòng)焊對(duì)比試驗(yàn)除焊接方法、焊接材料及規(guī)格、電弧保護(hù)介質(zhì)不同外，其余條件均一致。

表1　鋼材的化學(xué)成分表

表2　鋼材的力學(xué)性能表

表3焊接材料化學(xué)成分表

名稱牌號(hào)批號(hào)CSiMnPSNi數(shù)據(jù)來源焊絲H10Mn2(d1.6)ER50-6(d1.2)—B04019—710512≤0.12≤0.071.5~1.9≤0.035≤0.035≤0.03標(biāo)準(zhǔn)0.080.0241.710.0130.006—質(zhì)保書0.080.051.570.0140.01—復(fù)驗(yàn)0.06~0.150.80~1.151.40~1.85≤0.025≤0.025—標(biāo)準(zhǔn)0.080.931.400.0180.015—質(zhì)保書0.080.831.460.0110.009—復(fù)驗(yàn)焊劑SJ101—B1037———≤0.08≤0.06—標(biāo)準(zhǔn)———0.0340.031—質(zhì)保書———0.0170.01—復(fù)驗(yàn)

2) 結(jié)果分析。

a) 生產(chǎn)效率：實(shí)芯焊絲CO2氣體保護(hù)自動(dòng)焊接時(shí)，由于焊接飛濺的存在，容易使保護(hù)氣噴嘴堵塞，清理噴嘴會(huì)占用一定的時(shí)間，使實(shí)芯焊絲CO2氣體保護(hù)自動(dòng)焊生產(chǎn)效率更加低下。新型細(xì)絲埋弧自動(dòng)焊不存在清理導(dǎo)電嘴，相比之下，生產(chǎn)效率更高。

b) 焊接質(zhì)量：兩種焊接方法的焊接熔池保護(hù)均為渣氣聯(lián)合保護(hù)。實(shí)芯焊絲CO2氣體保護(hù)自動(dòng)焊保護(hù)熔池主要是CO2氣體，焊接過程中會(huì)產(chǎn)生少部分熔渣；新型細(xì)絲埋弧自動(dòng)焊與其相反，保護(hù)焊接熔池主要是焊接熔渣，焊接過程中會(huì)產(chǎn)生少部分氣體。

表4　焊接材料力學(xué)性能表

c) 新型細(xì)絲埋弧自動(dòng)焊接完成后，去除焊縫表面的焊劑和熔渣，焊縫外觀成型良好。實(shí)芯焊絲CO2氣體保護(hù)自動(dòng)焊的熔滴過渡形式為短路過渡。短路過渡過程為：當(dāng)熔滴與焊接熔池接觸時(shí)，電弧熄滅，電弧電壓急劇下降，接近于零，而短路電流上升，在焊絲與熔池之間形成液體金屬柱，它在不斷增加的短路電流所形成的電磁收縮力和表面張力的作用下，強(qiáng)烈地收縮液柱而形成“縮頸”?！翱s頸”在持續(xù)電流作用下，過熱氣化而迅速爆斷，形成飛濺，保護(hù)氣嘴易被堵塞。因此，長(zhǎng)焊縫的焊接會(huì)出現(xiàn)多個(gè)焊接接頭，增加了焊縫修磨的工作量。可見，使用新型細(xì)絲埋弧自動(dòng)焊焊縫的外觀質(zhì)量高于實(shí)芯焊絲CO2氣體保護(hù)自動(dòng)焊。

d) 新型細(xì)絲埋弧自動(dòng)焊的焊接電流較大，電弧對(duì)熔池的攪拌作用增強(qiáng)，焊接冶金產(chǎn)生的氣體更容易從熔池中逸出，降低焊縫內(nèi)部出現(xiàn)氣孔的可能性。有時(shí)會(huì)在焊縫出現(xiàn)壓坑，這是因?yàn)榧?xì)小的焊劑或者焊劑粉塵填充了焊劑的間隙，阻礙了氣體的有效逸出，使氣體在焊接熔渣下方焊縫金屬上方驟集，形成焊縫表面壓坑。只要及時(shí)去除焊劑中的粉塵和細(xì)小的焊劑，保證焊劑的顆粒度，就能使焊接過程中產(chǎn)生的少量氣體順利逸出，避免焊縫表面出現(xiàn)壓坑。

綜上所述，新型細(xì)絲埋弧自動(dòng)焊優(yōu)于實(shí)芯焊絲CO2氣體保護(hù)自動(dòng)焊。

4.2.6焊后矯平

焊接完成后，在板單元縱肋的背面劃線進(jìn)行火焰矯正處理。 采用熱矯時(shí)，熱矯溫度應(yīng)控制在600～800 ℃，嚴(yán)禁過燒。矯正后溫度應(yīng)緩慢冷卻，降至室溫以前，不得錘擊零件鋼材或用水急冷。

5材料機(jī)具設(shè)備及質(zhì)量控制

5.1　材料機(jī)具設(shè)備

主要用材料：母材、實(shí)芯焊絲、埋弧焊劑、埋弧焊絲、氧氣和丙烷等。

主要用設(shè)備：烤槍、測(cè)溫儀、CO2氣體保護(hù)焊機(jī)、智能行走小車、打磨機(jī)、烘干箱等。

5.2　質(zhì)量控制

1) 為提高低溫環(huán)境下焊接焊縫的沖擊值，改善焊縫金屬的性能，應(yīng)選擇Ni含量相對(duì)高的焊材與母材匹配。

2) 為消除水分，避免焊縫中氫氣孔、氫裂缺陷的產(chǎn)生，焊劑必須經(jīng)過烘干處理，烘干溫度350 ℃左右，保溫2 h.

3) 焊前必須按規(guī)范對(duì)母材焊縫及其周邊100 mm以內(nèi)的鐵銹、油污、夾渣、夾碳等進(jìn)行清理。

4) 焊接作業(yè)時(shí)，必須對(duì)焊接參數(shù)進(jìn)行嚴(yán)密卡控，嚴(yán)格按照工藝文件執(zhí)行。

5) 焊工必須持證上崗，經(jīng)焊接培訓(xùn)、試用合格后方可進(jìn)行焊接作業(yè)。

6) 其他按焊接作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行操作。

6改進(jìn)后效果

該施工技術(shù)解決了大型橋梁結(jié)構(gòu)正交異性板單元的焊接難題，避免了操作不便、焊縫質(zhì)量差和焊接效率低的問題，該工法可操作性強(qiáng)，工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，成本投入小，具有較好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

用此方法自動(dòng)焊接，保證了焊縫的內(nèi)在質(zhì)量和外觀質(zhì)量，加快了焊接速度，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，生產(chǎn)效率提高了30%以上，減少了正交異性板單元件加工所需的人工費(fèi)、材料費(fèi)，節(jié)約焊接綜合成本近10%.同時(shí)無弧光輻射和焊接煙氣的污染，改善了焊接作業(yè)環(huán)境，減少了對(duì)作業(yè)人員的危害。

7結(jié)論

太興鐵路跨西北環(huán)80 m系桿拱橋加工制作工程中的橋面板單元件采用便攜式免軌細(xì)絲埋弧焊接方法后，有效地保證了板單元件的加工質(zhì)量和工作效率，對(duì)最終保質(zhì)保量完成該項(xiàng)工程起到至關(guān)重要的作用，得到了甲方及監(jiān)理單位的好評(píng)，對(duì)以后類似工程項(xiàng)目的施工生產(chǎn)具有參考價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

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[2]冶金工業(yè)部建筑研究總院.GB 50205-2001 結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范[S].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2002:92-116.

Research on Portable Free Rail Filaments Submerged Arc Welding Technology

REN Xuhui

AbstractIn order to solve the problems because of using CO2gas shielded welding processing causes which welding wire deposition rate of steel box girder deck stiffening rib is lower, the weld forming is not good, welding spatter is large, welding smoke and dust pollution is serious, after welding polishing handling capacity is large and other, and improves the welding efficiency, optimizes the weld forming quality, reduces deformation correction amount. The advantages of comprehensive submerged arc welding and gas shielded welding in the application technology are compared. Through the self-made curved surface anti deformation mould, remanufactured equipment automatic welding system, used flux serve as protecting welding line medium for achieving automatic welding of the plate element stiffening rib are analyzed. The similar structure processing and making are carried out. The good results are achieved.

Key wordsOrthotropic deck; Anti deformation model; Portable free rail; Filaments submerged arc welding; Plate element stiffening rib

中圖分類號(hào)：TD406

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1672-0652(2015)12-0047-05

作者簡(jiǎn)介：任旭暉(1979—)，男，吉林農(nóng)安人，2006年畢業(yè)于長(zhǎng)春工程學(xué)院，工程師，主要從事鋼結(jié)構(gòu)橋梁建筑施工管理工作(E-mail)190892674@qq.com

收稿日期：2015-10-20