基于GMAW帶永久襯墊T形接頭根部焊接缺陷的防治

白曉良　閔曉峰　李亞麗　莫芝林

摘要：采用GMAW（熔化極氣體保護(hù)焊）焊接箱形梁柱結(jié)構(gòu)大間隙帶永久襯墊T形接頭時(shí)，由于焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、焊接參數(shù)、焊接手法不當(dāng)?shù)仍?，?dǎo)致焊縫根部容易出現(xiàn)大量的未熔合、固體夾雜、焊接裂紋等缺陷。采用不同的焊接工藝參數(shù)進(jìn)行焊接試驗(yàn)，分別從宏觀(guān)金相和微觀(guān)金相分析焊接缺陷和組織，探討缺陷產(chǎn)生原因，提出幾種經(jīng)驗(yàn)證有效的防治措施。對(duì)構(gòu)件坡口形式的設(shè)計(jì)、焊接襯墊的加工以及構(gòu)件的焊接工藝具有一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：熔化極氣體保護(hù)焊;永久鋼襯墊;根部未熔合;工藝措施

中圖分類(lèi)號(hào)：TG444+.72 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號(hào)：1001-2303（2020）12-0078-04

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.12.16

0 前言

熔焊接頭焊接時(shí)，為獲得理想的接頭質(zhì)量，必須保證焊條、焊絲或電極能方便地到達(dá)欲焊部位，這就是熔焊接頭設(shè)計(jì)時(shí)要考慮的可達(dá)性問(wèn)題，在焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中經(jīng)常會(huì)遇到焊接和檢驗(yàn)可達(dá)性不足的問(wèn)題。T形接頭能承受各種方向的力和力矩，特別適用于承受動(dòng)載的結(jié)構(gòu)，因而廣泛應(yīng)用于橋梁、工業(yè)建筑等領(lǐng)域的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中。在采用熔化極氣體保護(hù)焊（GMAW）焊接狹小的箱形梁柱結(jié)構(gòu)時(shí)，受空間限制，焊工難以接近并看清焊接部位，焊槍不能處于正確的施焊位置，導(dǎo)致難以獲得良好的焊縫成形和質(zhì)量。針對(duì)這一問(wèn)題，常常設(shè)計(jì)在外側(cè)開(kāi)單面坡口、背面設(shè)置永久襯墊的形式（見(jiàn)圖1）以防止燒穿。然而在實(shí)際焊接生產(chǎn)中，該類(lèi)型焊縫極易產(chǎn)生根部未熔合、裂紋等缺陷，尤其是大間隙中厚板的焊接。根部未熔合、裂紋缺陷多以面狀形式存在于帶永久襯墊的T形接頭的焊縫中，使得焊縫有效面積減小、強(qiáng)度降低、塑性韌性下降，當(dāng)接頭處承受彎曲力矩時(shí)，焊根處會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的應(yīng)力集中，并沿著永久襯墊根部向焊縫擴(kuò)展形成根部撕裂，嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)安全[1]。

1 焊接工藝試驗(yàn)

1.1 母材

選用兩組橋梁鋼材Q345q-D作為焊接試驗(yàn)用母材，翼板和腹板板厚均為30 mm，試板長(zhǎng)400 mm，Q345q-D鋼具有良好的焊接性和較低的缺口敏感性[2]。

1.2 坡口及尺寸

兩組試件的坡口形式及尺寸一致，根據(jù)常用的建筑、橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)制定坡口形式及尺寸如圖2所示，其中腹板開(kāi)設(shè)單邊坡口角度a為30°，不留鈍邊，根部間隙b為10 mm，鋼襯墊材質(zhì)選用與母材相當(dāng)?shù)腝345D，厚度c為6 mm，寬度d為30 mm[3]。

1.3 焊接位置與焊道布置

兩組試件均采用平焊位置，A組試件坡口底部為多層多道焊，采用小線(xiàn)能量進(jìn)行打底焊，焊槍不做擺動(dòng)，沿直線(xiàn)窄焊道行進(jìn);B組試件坡口底部采用多層單道焊，焊槍沿根部坡口面做橫向擺動(dòng)。

1.4 焊接方法與焊接材料

采用GMAW焊，焊接參數(shù)如表1所示。焊絲型號(hào)為ER50-6，直徑1.2 mm。焊接試驗(yàn)在25 ℃環(huán)境下進(jìn)行，空氣濕度65%，焊接過(guò)程不進(jìn)行預(yù)熱和后熱處理。

1.5 超聲檢測(cè)

A、B試件焊接完畢冷卻至室溫，進(jìn)行目視檢測(cè)合格，依據(jù)GB/T11345進(jìn)行了超聲檢測(cè)[4]，發(fā)現(xiàn)試件距焊縫根部2～4 mm處均存在難以定性和定量的細(xì)小焊接缺陷。

2 金相分析

2.1 宏觀(guān)金相

避開(kāi)兩端起、收弧各20 mm，分別從A、B試件的焊縫的中部和兩側(cè)均勻截取3個(gè)宏觀(guān)金相試樣進(jìn)行機(jī)械切割，經(jīng)過(guò)打磨、拋光、腐蝕之后檢查缺陷位置和尺寸。

最終酸蝕結(jié)果（見(jiàn)圖3）發(fā)現(xiàn)：試樣A1的翼板側(cè)焊縫根部0.2 mm裂紋1條，翼板側(cè)焊縫根部未熔合1 mm，由未熔合處向焊縫中心延伸的0.5 mm裂紋1條;試樣A3的腹板側(cè)焊縫根部0.1 mm裂紋1條，翼板側(cè)焊縫根部裂紋0.3 mm;試樣B1的腹板側(cè)焊縫根部0.2 mm裂紋1條，腹板側(cè)距襯墊1 mm熔合線(xiàn)處1 mm夾雜1點(diǎn)，翼板側(cè)焊縫根部未熔合2 mm;試樣B2翼板側(cè)焊縫根部未熔合1 mm，由未熔合處向焊縫中心延伸的1.5 mm裂紋1條，腹板側(cè)焊縫根部0.1 mm裂紋1條;試樣B3翼板側(cè)焊縫根部未熔合2 mm，未熔合中部向焊縫及襯墊輻射0.3 mm裂紋3條，腹板側(cè)焊縫根部0.2 mm裂紋1條。

通過(guò)縱向分析可知，6個(gè)試樣的未熔合與裂紋缺陷集中出現(xiàn)在根部焊縫靠近翼緣板處，靠近腹板側(cè)缺陷較少，且未熔合范圍窄、裂紋小，對(duì)焊縫質(zhì)量影響小。從橫向分析來(lái)看，A試板的焊接缺陷與B試板相比，未熔合范圍更窄，裂紋擴(kuò)展較小。

2.2 微觀(guān)金相

選取根部裂紋較清晰的典型試樣B2翼板側(cè)焊縫根部裂紋進(jìn)行微觀(guān)金相檢驗(yàn)（見(jiàn)圖4），發(fā)現(xiàn)焊縫組織為沿柱狀晶分布的共析鐵素體和粒狀貝氏體，裂紋沿著柱狀晶晶界處開(kāi)裂，其中粒狀貝氏體有效晶粒為原奧氏體晶粒，M-A小島較為密集，鐵素體沿著原奧氏體晶界析出形態(tài)為條狀、塊狀，部位為羽毛形態(tài)。

3 缺陷形成機(jī)理分析及危害

經(jīng)A、B兩組試件的宏觀(guān)金相檢驗(yàn)并統(tǒng)計(jì)缺陷可知，帶永久襯墊的T形接頭焊縫缺陷主要有：翼緣板和腹板側(cè)根部焊縫未熔合和裂紋，局部出現(xiàn)少量的焊道及與坡口面夾雜。

3.1 未熔合

試件A在焊接過(guò)程中采用多層多道焊，永久襯墊打底層分別在翼板和腹板側(cè)分2道施焊，使襯墊與翼板夾角處熔化約1 mm，焊縫熔透深度超過(guò)腹板表面，產(chǎn)生的未熔合缺陷較少，尺寸也較小;而試件B在焊縫底部采用多層單道焊，打底層僅做橫向擺動(dòng)，焊縫熔透深度未超過(guò)腹板表面，并且普遍產(chǎn)生了尺寸較大的未熔合缺陷。在較厚的母材上進(jìn)行打底層施焊，由于鋼襯墊與母材貼合不緊密，焊絲熔化后的鐵水流向離熔池較遠(yuǎn)的襯墊與母材的夾角，鐵水與周?chē)牡蜏啬覆慕佑|，溫度降低后以未熔合的形式覆蓋在翼板表面;由于焊槍在該厚板帶襯墊的T形接頭根部可達(dá)性差，若僅做單道擺動(dòng)焊接，焊絲擺動(dòng)幅度受限，導(dǎo)致兩側(cè)熔合較淺。采用多道焊接，通過(guò)調(diào)整焊槍位置使其與母材成45°夾角，電弧集中在襯墊與母材的接觸坡口面上，增加熔深，避免鐵水流入襯墊與母材夾角造成未熔合[5]。

3.2 根部裂紋

根部裂紋的出現(xiàn)主要是未熔合與焊接應(yīng)力造成的。熔合不良區(qū)域?qū)儆诤缚p的薄弱區(qū)域，強(qiáng)度、塑性和韌性都較差，也是應(yīng)力集中區(qū)域。中厚板焊接變形較大，焊接前往往要進(jìn)行反變形，襯墊與母材貼合面的夾角較大，間隙也較大，焊接過(guò)程中由于焊接變形，填充和蓋面層焊縫金屬在冷卻收縮過(guò)程中形成的拉應(yīng)力使腹板向大坡口側(cè)收緊，同時(shí)作用于襯墊與打底焊縫結(jié)合面，亦將襯墊下部拉向焊縫中心，襯墊上部因受腹板的遮擋而不能同步自由收縮，根部?jī)蓚?cè)未熔合處在拉應(yīng)力的繼續(xù)作用下，造成非常大的應(yīng)力集中，形成裂紋[6]。采用多層多道焊，熱輸入較小時(shí)，能夠減小焊接變形和應(yīng)力，阻止裂紋的擴(kuò)展或是避免裂紋，同時(shí)多層多道相當(dāng)于正火熱處理，得到的焊縫組織大多為珠光體，晶粒較小，具有良好的綜合力學(xué)性能。B組試件采用的線(xiàn)能量較大，易導(dǎo)致晶粒粗大，形成脆硬組織，其中形成的粒狀貝氏體有效晶粒粗大，分布于鐵素體基體上的M-A小島中馬氏體比較脆硬，而于晶界析出的條狀、羽毛狀鐵素體屬于有害組織，整個(gè)組織塑韌性較差，在應(yīng)力作用下易產(chǎn)生沿晶開(kāi)裂[7]。

3.3 焊道及與坡口面夾雜

從缺陷檢出位置來(lái)看，試件A在焊縫底部、中部和蓋面層均出現(xiàn)了不同程度的3處夾雜，試件B僅在襯墊根部出現(xiàn)一處細(xì)小夾雜。這是因?yàn)樵嚰嗀采用多層多道焊，焊槍在狹窄的坡口內(nèi)焊接時(shí)，焊道之間過(guò)渡不平滑，容易在焊道間形成夾溝，施焊下一層焊道時(shí)，夾溝處的雜質(zhì)留在焊縫內(nèi)部形成夾雜缺陷。而試件B采用多層單道焊，每層焊道一次擺動(dòng)成形，不易形成焊道夾雜缺陷。焊縫夾雜會(huì)降低焊縫塑性和韌性，其尖角往往造成應(yīng)力集中，特別是在淬硬傾向大的焊縫中，尖角頂點(diǎn)常形成裂紋。

3.4 未熔合與裂紋的危害性

未熔合不僅直接減小結(jié)構(gòu)的有效強(qiáng)度，而且在構(gòu)件使用過(guò)程中產(chǎn)生應(yīng)力集中，很容易在其邊緣擴(kuò)展形成裂紋，尤其是帶永久襯墊的T形接頭根部未熔合，往往在焊接過(guò)程中產(chǎn)生極強(qiáng)的應(yīng)力集中，再由焊縫收縮產(chǎn)生的拉應(yīng)力作用使焊縫開(kāi)裂。此類(lèi)未熔合常常在焊縫根部整條產(chǎn)生，因此極易導(dǎo)致整個(gè)焊縫的開(kāi)裂，最后導(dǎo)致結(jié)構(gòu)件的突然斷裂失效。

焊接結(jié)構(gòu)具有整體性，其剛度大，對(duì)應(yīng)力集中較為敏感，帶永久襯墊的T形接頭根部裂紋往往是整條貫穿性的，造成的結(jié)構(gòu)破壞也是毀滅性的。大量工程事故分析表明，由于地震等外力作用所導(dǎo)致坍塌的橋梁等鋼結(jié)構(gòu)，破壞多起源于箱型梁柱結(jié)構(gòu)的永久襯墊根部裂紋處。

4 預(yù)防和改進(jìn)方法

4.1 工藝措施

針對(duì)30 mm以上的中厚板，建議組焊完成后，對(duì)試件坡口兩側(cè)進(jìn)行局部預(yù)熱，尤其是保證翼板、腹板兩側(cè)坡口根部的預(yù)熱溫度，使根部焊道在兩側(cè)夾角處熔合良好，同時(shí)降低焊后冷卻速度，防止出現(xiàn)根部淬硬組織。

制定合理的焊接工藝參數(shù)，降低焊接線(xiàn)能量，在平焊、立焊位置打底層采用多層多道焊，焊接過(guò)程中坡口兩側(cè)多停留，以保證熔深。制作防變形工裝，對(duì)焊接試板進(jìn)行剛性固定，防止焊接變形應(yīng)力導(dǎo)致焊接裂紋。

4.2 陶瓷角襯墊

采用陶瓷角襯墊代替永久鋼襯墊，焊接前將襯墊貼于坡口背面，在成形良好的情況下，達(dá)到單面焊雙面成形的效果[8]。該方法不僅避免了因采用鋼襯墊導(dǎo)致的根部未熔合、根部裂紋等一系列問(wèn)題，而且在焊縫背面形成了一定尺寸的焊腳，使焊縫背面平緩過(guò)渡，避免應(yīng)力集中。

4.3 改良型永久襯墊

改良型永久襯墊按襯墊坡口固定朝向分為內(nèi)側(cè)和外側(cè)兩種（見(jiàn)圖6），即對(duì)原有襯墊進(jìn)行一定的坡口加工，坡口面寬度及坡口角度根據(jù)腹板與翼板預(yù)留間隙確定，焊前將襯墊按襯墊坡口朝向固定焊接在T形接頭坡口底部，預(yù)留約2 mm間隙進(jìn)行點(diǎn)焊固定，打底層采用擺動(dòng)手法，一道焊接成形。應(yīng)用改良型永久襯墊能夠有效消除翼板側(cè)焊縫根部未熔合及裂紋，進(jìn)一步避免結(jié)構(gòu)的破壞。

5 結(jié)論

（1）帶永久襯墊的T形接頭的設(shè)計(jì)形式存在不合理之處，在進(jìn)行GMAW施焊時(shí)，會(huì)在焊縫根部的翼、腹板兩端角產(chǎn)生未熔合并引起熱裂紋，該熱裂紋往往沿永久襯墊整體開(kāi)裂，容易在外力作用下導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的整體破壞。

（2）采用多層多道焊，小線(xiàn)能量施焊帶永久襯墊的T形接頭與多層單道焊相比，可在一定程度上避免和減小翼板和腹板兩側(cè)根部未熔合及裂紋缺陷。

（3）采取焊前預(yù)熱，制定合理工藝參數(shù)，采用陶瓷角襯墊等方法可使T形接頭根部焊道熔合良好，減少未熔合、裂紋缺陷的發(fā)生，但受施工條件和結(jié)構(gòu)形式的約束，以上方法的應(yīng)用有一定的局限性，針對(duì)這一接頭形式存在的焊接缺陷問(wèn)題仍需要進(jìn)一步研究。

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收稿日期：2020-08-09

作者簡(jiǎn)介：白曉良（1986— ），男，學(xué)士，工程師，主要從事焊接技術(shù)及無(wú)損檢測(cè)的研究。E-mail：738952383@qq.com。