H型鋼雙絲埋弧焊不清根全熔透焊接工藝

張建平，滕 氄，闕子雄

（1.浙江精工鋼結(jié)構(gòu)集團(tuán)有限公司，浙江紹興312030；2.精工工業(yè)建筑系統(tǒng)有限公司，浙江 紹興 312030）

0 前言

H型鋼具有質(zhì)量輕、剛度好、質(zhì)量?jī)?yōu)、外觀美、施工方便、施工速度快等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于建筑鋼結(jié)構(gòu)。近些年，隨著厚板在建筑鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，為提高效率，雙絲、三絲及多絲門式埋弧焊機(jī)已逐漸應(yīng)用于生產(chǎn)中[1]。

隨著焊接設(shè)備的更新，焊接工藝也需進(jìn)行相應(yīng)的試驗(yàn)研究。根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求[2]，在建筑鋼結(jié)構(gòu)中桁架、鋼柱節(jié)點(diǎn)區(qū)域（梁柱連接）往往是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要部位，其H型鋼組立焊縫為全熔透要求。

為了減少工序、降本成效，在多絲門式埋弧焊機(jī)上實(shí)現(xiàn)中厚板H型鋼焊接反面不清根，達(dá)到全熔透工藝尤為重要。

本研究采用門式雙絲埋弧焊機(jī)，分析焊接角度、焊絲偏心距離與焊縫熔合區(qū)位置之間的相互關(guān)系，改變焊接角度和調(diào)整焊絲位置，使腹板板厚為20mm的H型鋼主體焊縫達(dá)到了全熔透要求。

1 模型建立

1.1 全熔透焊接的可行性分析

1.1.1 初步試驗(yàn)

首先進(jìn)行H型鋼門式雙絲埋弧焊試驗(yàn)。焊接H型鋼試件鋼板材質(zhì)為Q345B，規(guī)格BH500×350×20×30，長(zhǎng)度1 800mm。試驗(yàn)分成2組，第2組的焊接電流、電壓參數(shù)較第1組有所增大，焊接工藝參數(shù)及試驗(yàn)結(jié)果如表1、表2所示，焊縫宏觀圖片如圖1、圖2所示。

表1 焊接工藝參數(shù)

表2 試驗(yàn)結(jié)果

圖1 第1組焊縫宏觀圖片

圖2 第2組焊縫宏觀圖片

初步試驗(yàn)表明：當(dāng)其他條件不變時(shí)，增加焊接電流、電壓來增加熔深、熔寬能夠達(dá)到焊縫全熔透的目的。但從第2組試件可知（見圖2），焊縫外觀成形差，存在咬邊等缺陷，過大的熱輸入使H型鋼角變形增加，機(jī)械矯正會(huì)增加焊縫出現(xiàn)裂紋的風(fēng)險(xiǎn)[3]。另外，增加電流、電壓容易造成HAZ晶粒粗大而影響焊縫的綜合性能[4]。同時(shí)，焊機(jī)負(fù)載過大，不適合長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，故在實(shí)際生產(chǎn)過程中，單純的通過增加電流、電壓來達(dá)到焊縫全熔透的目的是不適宜的。

1.1.2 T型接頭模型建立及分析

根據(jù)第1組試件的宏觀照片進(jìn)行分析，如圖3所示。

圖3 宏觀分析

T型接頭單側(cè)熔深達(dá)到腹板板厚的1/2，熔深最深位置位于翼板，且達(dá)到了熔合。可以通過改變H型鋼焊接角度、焊絲位置的方式使焊縫根部熔合區(qū)上移，從而達(dá)到焊縫全熔透的目的。

初步建立數(shù)學(xué)模型，如圖4所示。由圖4可知，通過改變H型鋼焊接角度、焊絲前絲偏心的方式都可使焊縫根部熔合區(qū)上移。

圖4 第1組試件T型接頭數(shù)學(xué)模型

1.2 H型鋼焊接角度的確定

T型接頭的前絲焊接數(shù)學(xué)模型如圖5所示。根據(jù)圖5并結(jié)合實(shí)際情況，r為固定值，h與電流大小成正比，根據(jù)he=h-r，將he等效電流大小，確定電流he和焊接角度α之間的關(guān)系（見圖6）

即在焊接電流不變的情況下，可以通過增大H型鋼的焊接角度α來增加焊縫板厚方向的熔深，即在其他焊接參數(shù)不變的情況下，H型鋼焊接角度越大，焊縫熔深越深。

圖5 T型接頭的前絲焊接數(shù)學(xué)模型

但在實(shí)際操作過程中，H型鋼無法在焊接胎架上隨意增大焊接角度，受門式埋弧焊機(jī)焊槍架滾輪的限制，H型鋼的最大焊接角度α約為55°。

圖6 熔深與電流大小、焊接角度的關(guān)系

1.3 前絲偏心距離的確定

在H型鋼焊接角度為α的條件下，當(dāng)焊絲電弧中心線過焊縫中心點(diǎn)位置時(shí)，腹板根部板厚中心位置可以實(shí)現(xiàn)焊縫全熔透，如圖7所示。

圖7 T型接頭的前絲偏心距離

焊絲最佳偏心距離d的數(shù)學(xué)關(guān)系式為

當(dāng) t=20mm，α=52°時(shí)

1.4 H型鋼焊接角度保證

受實(shí)際胎架角度限制（固定45°），H型鋼擺放角度α的控制需根據(jù)截面高度尺寸在胎架根部加設(shè)一定高度墊板，如圖8所示，墊板高度尺寸S為

式中 S為墊板高度尺寸；H為H型鋼截面高度；α'為 H 型鋼在胎架上傾斜角度，α'=α-45°。

1.5 分析結(jié)果

H型鋼在門式埋弧焊機(jī)上焊接時(shí)，在常規(guī)電流、電壓焊接參數(shù)下，通過改變焊接角度和前絲偏心距離得到腹板20mm的H型鋼主體焊縫全熔透的目的是可行的。

圖8 墊板高度的確認(rèn)

2 接頭試驗(yàn)

對(duì)板厚20mm腹板的H型鋼進(jìn)行相應(yīng)的工藝試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)H型鋼焊接角度定為52°（通過在胎架上加設(shè)高度60mm的墊板來實(shí)現(xiàn)），前絲偏心6mm，后絲居中保證焊縫的外觀成形。

2.1 試驗(yàn)材料及過程

（1）為突出試驗(yàn)的對(duì)比性，H型鋼材質(zhì)、規(guī)格及其他焊接工藝參數(shù)與前期第1組試驗(yàn)相同，即鋼板材質(zhì)為Q345B，焊接H型鋼試件規(guī)格為BH500×350×20×30，長(zhǎng)度 1 800mm，力學(xué)性能要求為：抗拉強(qiáng)度 470～630MPa，沖擊功（20 ℃）大于等于 34 J。焊絲采用CHW-S3，型號(hào)H10Mn2，焊絲直徑φ=4.8mm，焊劑SJ101，使用前烘干。焊接工藝參數(shù)如表3所示。

表3 焊接工藝參數(shù)

（2）H型鋼試件T型接頭不開設(shè)坡口，根部間隙為0～1mm，焊接方法采用SAW，焊接位置為船行焊，采用門式雙絲埋弧焊機(jī)，焊接順序及方向如圖9所示。

（3）焊接過程見圖10，焊后成形見圖11。

2.2 試驗(yàn)項(xiàng)目及結(jié)果

2.2.1 檢測(cè)結(jié)果及數(shù)量

試件檢測(cè)項(xiàng)目及數(shù)量如表4所示。取樣位置如圖12所示。

圖9 焊接順序及方向

圖10 焊接過程

2.2.2 試驗(yàn)結(jié)果

（1）外觀成形。

根據(jù)肉眼觀察，H型鋼整體角變形不大，主體焊縫無咬邊、氣孔等缺陷，焊縫無偏焊現(xiàn)象，表面無明顯魚鱗紋產(chǎn)生，整體外觀成形良好。

（2）宏觀腐蝕。

圖11 焊后成形

表4 T型接頭檢測(cè)項(xiàng)目及數(shù)量（UT探傷合格）

圖12 取樣位置

宏觀金相圖如圖13所示。采用冷酸法對(duì)試樣焊縫區(qū)域進(jìn)行低倍宏觀檢驗(yàn)，試樣焊縫區(qū)、熔合線區(qū)及熱影響區(qū)均無裂紋、氣孔夾雜、未熔合等缺陷，且不存在宏觀偏析（區(qū)域偏析）現(xiàn)象。

圖13 宏觀金相

（3）沖擊試驗(yàn)。

沖擊試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

表5 沖擊韌性試驗(yàn)結(jié)果

由表5可知，焊縫區(qū)、熱影響區(qū)沖擊韌性均滿足規(guī)范要求。

（4）硬度試驗(yàn)。

硬度取樣測(cè)試點(diǎn)如圖14所示。A1～A3為焊縫區(qū)，B1～B6為熔合線區(qū)，C1～C4為熱影響區(qū)。

圖14 硬度取樣測(cè)試點(diǎn)

硬度試驗(yàn)結(jié)果如圖15所示，熔合線區(qū)硬度最高，且HV10＜350，說明無馬氏體生成。

圖15 硬度實(shí)驗(yàn)結(jié)果

（5）微觀金相。

金相結(jié)果如圖16所示。焊縫區(qū)組織為鐵素體+珠光體（組織呈樹枝狀生長(zhǎng)），且有少量魏氏組織產(chǎn)生，這是因?yàn)楹缚p前絲焊后未得到充分冷卻，后絲再次對(duì)其進(jìn)行加熱，造成焊縫高溫停留時(shí)間較長(zhǎng)，使焊縫處于過熱狀態(tài)形成魏氏組織[5]。熱影響區(qū)組織為鐵素體和珠光體，母材帶狀組織依然可見。

3 結(jié)論

（1）進(jìn)行初步試驗(yàn)，確定了單純的通過增加電流、電壓參數(shù)來達(dá)到H型鋼全熔透的方式是不適宜的。

（2）根據(jù)初步試驗(yàn)焊縫宏觀結(jié)果建立T型接頭焊接數(shù)學(xué)模型，經(jīng)理論分析，H型鋼在門式埋弧焊機(jī)上進(jìn)行焊接時(shí)，在電流、電壓等焊接參數(shù)不變的情況下，可以通過改變H型鋼焊接角度和前絲偏心距離來增加T型接頭腹板側(cè)板厚方向的熔深。

（3）對(duì)改進(jìn)后的焊接方式進(jìn)行工藝試驗(yàn)。在H型鋼焊接角度為52°，前絲偏心6mm的條件下，板厚為20mm腹板的H型鋼可以達(dá)到全熔透要求。力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果表明，沖擊、硬度符合相關(guān)規(guī)范要求，同時(shí)從宏觀及微觀金相分析，金相組織良好，焊縫區(qū)有少量魏氏組織出現(xiàn)，故對(duì)于厚板的埋弧焊焊接，應(yīng)避免大線能量焊接，從而減少焊縫高溫停留時(shí)間，避免出現(xiàn)魏氏組織及晶粒粗大的現(xiàn)象。

圖16 微觀金相組織

[1]韓國(guó)明.焊接工藝?yán)碚撆c技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003.

[2]GB/T 50661-2011，鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范[S].中華人民共和國(guó)住房與城鄉(xiāng)建設(shè)部，2011.

[3]戴為志，高良.鋼結(jié)構(gòu)焊接技術(shù)培訓(xùn)教程[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009.

[4]陳祝年.焊接工程師手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

[5]曾樂.現(xiàn)代焊接技術(shù)手冊(cè)[M].上海：上海科學(xué)技術(shù)出版社，1993.