T形接頭“部分全熔透焊縫”焊接質(zhì)量控制方法

張華，高興，代鑰

武船重型工程股份有限公司 湖北武漢 430415

1 序言

焊接作為制造業(yè)的基礎(chǔ)技術(shù)，在航空航天、海洋工程與艦船、水利電力、軌道交通及橋梁建筑等各個領(lǐng)域都扮演著不可或缺的重要角色，焊接接頭大致分為對接接頭、搭接接頭、T形接頭、角接接頭和端接接頭幾種基本類型[1]。T形接頭在船舶、橋梁等焊接結(jié)構(gòu)中廣泛應(yīng)用，根據(jù)焊縫形式可分為角焊縫、部分熔透焊縫和全熔透焊縫，如圖1所示。

圖1 T形接頭焊縫形式

鑒于目前T形接頭清根熔透焊接工藝存在一定的弊端，結(jié)合部分熔透焊縫（PJP）及全熔透焊縫（CJP）的工藝特點，本文提出“部分全熔透焊縫”（以下簡稱PCJP）焊接質(zhì)量控制方法，以利于實施免清根及自動化焊接工藝，提高焊接質(zhì)量和效率。

2 關(guān)于T形接頭焊縫熔透要求

2.1 T形接頭焊縫的應(yīng)用現(xiàn)狀

足夠的焊縫尺寸是保證焊接結(jié)構(gòu)連接強度的前提條件，在工程實際中，一方面因構(gòu)件焊縫尺寸不足引起的質(zhì)量安全事件時有發(fā)生；另一方面，過度焊接的現(xiàn)象比較普遍，如可用角焊縫的部位要求采用部分熔透焊縫，可用部分熔深焊縫的部位要求采用全熔透焊縫，過度焊接對于焊接變形及焊接成本控制不利。T形接頭全熔透焊縫被大量采用，其原因可能有以下兩個方面：一是相關(guān)設(shè)計規(guī)范對于T形接頭焊縫要求的規(guī)定不夠明確，設(shè)計人員在主觀上認(rèn)為全熔透焊縫更可靠；二是從焊接質(zhì)量控制角度，部分熔透焊縫內(nèi)部質(zhì)量的檢測手段及其有效性不如全熔透焊縫，全熔透焊縫要求更有利于控制焊縫內(nèi)部質(zhì)量。

2.2 T形接頭全熔透焊縫的局限性

在焊接工藝實施中，為實現(xiàn)全熔透焊接，往往在焊接一側(cè)焊縫后，在另一側(cè)采用碳弧氣刨清根再進行焊縫的焊接。碳弧氣刨清根是一種落后的作業(yè)方式，產(chǎn)生的煙塵和噪聲非常大，工作環(huán)境惡劣，形成的焊接坡口一致性差，不利于實施自動化焊接工藝，此外會顯著增加焊接工作量及焊接變形量。碳弧氣刨清根現(xiàn)場如圖2所示。

圖2 碳弧氣刨清根現(xiàn)場

針對T形接頭全熔透焊接要求，為提高生產(chǎn)效率，相關(guān)單位開展了免清根熔透焊工藝的研究，采用埋弧焊或深熔聚弧氣體保護焊，利用其熔深大的工藝特性，可有效提高焊縫根部的熔透性[2-4]。由于免清根熔透焊工藝對焊接坡口尺寸及焊絲對中精度要求較高，易在產(chǎn)品批量生產(chǎn)中表現(xiàn)出適應(yīng)性不良現(xiàn)象，造成焊縫合格率低、返修率高等問題。

2.3 T形接頭全熔透焊縫的必要性

全熔透焊接可最大程度地減少焊縫內(nèi)部缺欠，但同時在很大程度上增加了焊接難度，因此，對于T形接頭是否有必要進行全熔透焊接長期存在意見分歧。張劍峰等[5]對鋼板梁翼緣與腹板角焊縫是否需要熔透焊進行了探討，推薦采用部分熔透的對接與角接組合焊縫，不推薦全熔透焊縫，以利于工廠機械化、自動化生產(chǎn)，提高焊接質(zhì)量的穩(wěn)定性。張華等[6]指出T形接頭在雙面焊接條件下，足夠的焊縫尺寸（包括熔深及焊腳尺寸）可以避免焊縫內(nèi)部焊根處產(chǎn)生疲勞裂紋，焊趾處的疲勞破壞問題應(yīng)是關(guān)注重點。

由于雙側(cè)焊腳的加強作用，當(dāng)焊縫熔深達到一定值時，T形接頭焊縫失效模式由焊根轉(zhuǎn)變?yōu)楹钢菏?；進一步提高焊縫熔透率，對于提升焊接接頭疲勞強度的作用有限?？傊?，全熔透焊接不是保證T形接頭靜載強度及疲勞強度的必要條件，對于高承載要求的T形接頭焊縫，需采取必要的技術(shù)措施，保證足夠的焊縫尺寸，限制焊縫內(nèi)部未焊透尺寸，降低焊根處的應(yīng)力集中系數(shù)，避免產(chǎn)生焊根疲勞失效。

3 PCJP焊接質(zhì)量控制方法及適用范圍

3.1 PCJP焊接質(zhì)量控制方法的概念

提出PCJP焊接質(zhì)量控制方法，即對于重要承載的T形接頭焊縫，在焊縫設(shè)計、焊接、檢測過程中，基于焊縫性能需求，實施免清根焊接工藝，通過無損檢測手段，整體上以全熔透焊縫檢測一次合格率控制焊縫內(nèi)部質(zhì)量，實現(xiàn)高品質(zhì)制造；局部上以未焊透焊縫最低熔深要求作為焊縫內(nèi)部質(zhì)量驗收指標(biāo)，實現(xiàn)高效、低成本生產(chǎn)。

3.2 PCJP焊接質(zhì)量控制方法的原理

圖3所示為T形接頭焊縫熔透率與疲勞強度、焊接成本的關(guān)系。從圖3可看出，隨著焊縫熔透率的增加，焊縫疲勞強度呈現(xiàn)上升趨勢，其中存在疲勞失效模式轉(zhuǎn)折點，即當(dāng)焊縫熔深率低于該值時，焊縫疲勞失效模式以焊根失效為主，焊接接頭疲勞性能處于較低水平；而當(dāng)焊縫熔透率高于該值時，焊縫疲勞失效模式以焊趾失效為主，焊接接頭疲勞性能處于較高水平，此時焊縫熔透率的變化對焊接接頭疲勞性能影響不顯著。

此外，隨著焊縫熔透率的增加，焊接成本也呈現(xiàn)上升趨勢，其中存在清根工藝轉(zhuǎn)折點，當(dāng)焊縫熔透率低于該值時，采用免清根焊接工藝可滿足相應(yīng)的質(zhì)量要求，焊接成本相對較低；而當(dāng)焊縫熔透率高于該值時，則需要采用清根焊接工藝才能滿足相應(yīng)的質(zhì)量要求，對應(yīng)的焊接成本將大幅增加，而疲勞性能并無明顯提升。

基于PCJP焊接質(zhì)量控制方法，T形接頭焊縫內(nèi)部質(zhì)量要求所對應(yīng)的焊縫熔透率處于疲勞失效模式轉(zhuǎn)折點與清根工藝轉(zhuǎn)折點之間，且接近于清根工藝轉(zhuǎn)折點。一方面，以全熔透焊縫檢測一次合格率要求規(guī)范焊接工藝，對焊縫內(nèi)部質(zhì)量進行有效控制，充分滿足焊縫性能需求；另一方面，相對于100%全熔透焊縫要求，便于實施免清根及自動化焊接工藝，大幅提高焊接效率，降低焊接成本，從而實現(xiàn)焊接質(zhì)量、焊接效率、焊接成本三者之間的有效統(tǒng)一。

3.3 相關(guān)要求

基于PCJP焊接質(zhì)量控制方法，T形接頭焊縫中的全熔透焊縫檢測一次合格率及未焊透焊縫的最低熔深要求需有明確的規(guī)定，結(jié)合T形接頭免清根熔透焊工藝實踐，對于腹板板厚為8～40mm的T形接頭，推薦采用雙“80%”要求，即全熔透焊縫檢測一次合格率不低于80%，未焊透部分焊縫熔深不低于80%板厚即可驗收，免于返修。

超聲波檢測是T形接頭焊縫內(nèi)部質(zhì)量無損檢測的主要方式，目前，普通A型超聲波檢測可有效判別焊縫內(nèi)部是否存在未焊透缺欠，以此準(zhǔn)確統(tǒng)計全熔透焊縫檢測一次合格率，而對未焊透缺欠高度尺寸的檢測精度較低，因此需積極開展超聲波相控陣檢測等先進無損檢測技術(shù)的研究應(yīng)用，提高T形接頭焊縫內(nèi)部缺欠的檢測精度，從而起到更好控制焊接質(zhì)量的作用。

3.4 適用范圍

需要說明的是，焊縫尺寸參數(shù)需根據(jù)焊接接頭的實際受力需求進行設(shè)計，一般非關(guān)鍵受力焊縫或聯(lián)系焊縫，采用角焊縫或部分熔透焊縫即可，避免過度焊接。PCJP焊接質(zhì)量控制方法僅適合于焊接結(jié)構(gòu)中有高承載要求的關(guān)鍵T形接頭焊縫，如鋼橋結(jié)構(gòu)中的橋面板常規(guī)8mm厚U肋焊縫，以及鋼錨箱、鋼錨梁中的主要承力焊縫等。

4 應(yīng)用案例

正交異性鋼橋面板結(jié)構(gòu)具有重量輕、承載能力強的特點，在鋼結(jié)構(gòu)橋梁中得到了廣泛應(yīng)用。其中，橋面板縱向加勁U肋與橋面板連接焊縫極為關(guān)鍵。主要特點有：U肋焊縫數(shù)量多、焊接量大，一座跨徑千米級鋼結(jié)構(gòu)橋梁，橋面板U肋角焊縫總長達10萬m以上；U肋作為封閉型構(gòu)件，內(nèi)部空間狹小，焊接難度大，傳統(tǒng)單面焊的焊根熔合質(zhì)量不易控制，新型雙面焊的內(nèi)焊質(zhì)量控制難度大；U肋焊縫抗疲勞性能要求高，受橋面車輪載荷的反復(fù)作用，易產(chǎn)生疲勞裂紋，且疲勞裂紋的檢測與修復(fù)困難。正交異性鋼橋面板結(jié)構(gòu)如圖4所示。

由于U肋內(nèi)部空間狹小，傳統(tǒng)工藝只能從外側(cè)進行單面焊接，對U肋焊縫抗疲勞性能較為不利，國內(nèi)企業(yè)成功開發(fā)了U肋內(nèi)焊技術(shù)[7]，從2016年起開始推廣應(yīng)用U肋新型雙面焊技術(shù)，采用氣體保護焊或埋弧焊工藝。PCJP焊接質(zhì)量控制方法在多個鋼橋項目的橋面板U肋焊接中得到了良好的應(yīng)用，其中“深中通道”項目要求鋼橋面板U肋焊縫全熔透檢測一次合格率不低于96%，未焊透部分焊縫熔深不低于U肋板厚的75%。

“深中通道”鋼橋面板U肋與橋面板連接形成T形接頭焊縫，U肋板厚8mm，免開坡口，在專用自動化焊接設(shè)備上進行焊接，采用免清根雙面埋弧焊工藝，內(nèi)外側(cè)各一道焊接成形，焊接效率高。U肋內(nèi)外焊場景如圖5所示。內(nèi)焊焊絲直徑1.6mm、焊接電流400～420A、電弧電壓32～34V、焊接速度400mm/min；外焊焊絲直徑3.2mm、焊接電流630～650A、電弧電壓33～35V、焊接速度510mm/min。U肋全熔透、部分熔透焊縫宏觀金相如圖6所示。

圖6 焊縫宏觀金相

已完成“深中通道”約80萬m橋面板U肋焊縫的焊接工作，并對U肋焊縫進行了超聲波檢測。超聲波檢測如圖7所示。結(jié)果顯示，全熔透焊縫檢測一次合格率穩(wěn)定在98%左右，絕大部分未焊透焊縫的熔深不低于U肋板厚的75%，免于返修；相比100%全熔透焊縫要求，避免了返修焊對焊縫性能的不利影響?？傮w而言，采用PCJP焊接質(zhì)量控制方法，實現(xiàn)了U肋焊縫的優(yōu)質(zhì)高效焊接。

圖7 超聲波檢測

5 結(jié)束語

鑒于T形接頭清根全熔透焊接工藝存在一定的弊端，基于工程思維，提出了T形接頭“部分全熔透焊縫”焊接質(zhì)量控制方法，并闡明了其概念、原理及適用范圍。對于高承載要求的T形接頭焊縫，采用“部分全熔透焊縫”焊接質(zhì)量控制方法，實施免清根焊接工藝，可實現(xiàn)焊接結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的高品質(zhì)焊接、高效化生產(chǎn)。