H型鋼免坡口免清根全熔透焊接工藝應(yīng)用研究

張宏，李柱良

1.山東魯潤(rùn)熱能科技有限公司 山東濟(jì)南 250300

2.山東奧太電氣有限公司 山東濟(jì)南 250101

1 序言

鋼結(jié)構(gòu)是綠色、環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展的新興產(chǎn)業(yè)，鋼結(jié)構(gòu)建筑占比是衡量一個(gè)國(guó)家現(xiàn)代化程度的重要指標(biāo)[1]。焊接是鋼結(jié)構(gòu)施工中的一項(xiàng)重要工序，焊接技術(shù)直接決定著鋼結(jié)構(gòu)的施工質(zhì)量。近年來，隨著建筑業(yè)的快速發(fā)展，鋼結(jié)構(gòu)市場(chǎng)更是飛速發(fā)展，鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)的不斷發(fā)展必定推動(dòng)焊接技術(shù)的更大進(jìn)步，但目前的鋼結(jié)構(gòu)焊接工藝仍存在諸多實(shí)際生產(chǎn)問題。

以H型鋼焊接為例，目前主角焊縫主要采用腹板雙面開坡口、反面碳弧氣刨清根、多層多道焊接，采用實(shí)心焊絲CO2氣體保護(hù)焊打底、填充和埋弧焊蓋面焊接工藝。加工坡口造成材料、成本、時(shí)間的浪費(fèi)；坡口填充焊接需要大量的焊接材料，造成生產(chǎn)成本增加，同時(shí)需要更多的焊接時(shí)間；碳弧氣刨清根消耗碳棒、焊接材料和更多操作時(shí)間，同時(shí)碳弧氣刨噪聲大、煙霧多，并伴隨弧光輻射，嚴(yán)重影響勞動(dòng)者身心健康[2]。

2 焊前準(zhǔn)備

2.1 焊接設(shè)備

雙絲雙弧埋弧焊采用MZ-1250IV逆變式直流埋弧焊電源和M Z E-1000交流埋弧焊電源，配套MZC-P3雙絲雙弧埋弧焊小車，如圖1所示。

圖1 雙絲雙弧焊接設(shè)備

雙弧雙絲埋弧焊的兩根焊絲縱列式排列，雙電弧共熔池，如圖2所示。前絲采用直流，大電流低電壓，電弧穿透力強(qiáng)保證熔深，后絲采用交流，小電流大電壓，調(diào)節(jié)熔寬使焊縫具有適當(dāng)?shù)某尚蜗禂?shù)[3]。

圖2 焊絲排列

2.2 焊接材料

針對(duì)材質(zhì)為Q355B的H型鋼，采用φ4.0mm的H10Mn2高錳型焊絲與低錳、硅的焊劑SJ101相匹配，焊道成形及脫渣性能優(yōu)良[4]。焊劑在使用前必須經(jīng)300～350℃烘焙2h。焊絲與焊劑均符合GB/T 5293—2018《埋弧焊用非合金鋼及細(xì)晶粒鋼實(shí)心焊絲、藥芯焊絲和焊絲-焊劑組合分類要求》的規(guī)定。

2.3 試驗(yàn)工件

焊接母材材質(zhì)為Q355B，腹板厚度20m m、25mm，不開坡口，T形角接工件形式如圖3所示。

3 焊接試驗(yàn)

依據(jù)多年工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合對(duì)雙絲雙弧埋弧焊焊絲間距、焊槍角度、焊接位置等參數(shù)對(duì)焊縫熔深和成形質(zhì)量影響的研究，經(jīng)過多次調(diào)整試驗(yàn)，最終確定工件、焊絲角度和相對(duì)位置，如圖4所示。由圖4可知，前絲垂直于焊縫，后絲后傾10°～15°，焊絲端部間距15～25mm，焊絲干伸長(zhǎng)30～35mm，工件擺放與水平面呈55°～65°[5]。腹板厚度20mm、25mm的角焊縫焊接參數(shù)見表1，正面焊接完成后，反面無需清根處理。

表1 腹板厚度20mm、25mm的角焊縫焊接參數(shù)

圖4 雙絲焊槍位置及工件擺放示意

4 焊接效果

1）不同厚度腹板焊縫外觀成形如圖5、圖6所示。由圖5、圖6可知，外觀成形良好，表面無氣孔、咬邊、裂紋及未熔合等缺陷。

圖5 腹板20mm厚工件主焊縫外觀成形

圖6 腹板25mm厚工件主焊縫外觀成形

2）焊縫內(nèi)部質(zhì)量滿足GB/T 11345—2013《焊縫無損檢測(cè)超聲波檢測(cè)技術(shù)、檢測(cè)等級(jí)和評(píng)定》要求，焊縫經(jīng)100%UT檢測(cè)，焊縫質(zhì)量等級(jí)為I級(jí)。宏觀金相斷面未發(fā)現(xiàn)氣孔、夾雜、裂紋、未焊透及未熔合等焊接缺陷，如圖7、圖8所示。

圖7 腹板20mm厚角焊縫宏觀斷面

圖8 腹板25mm厚角焊縫宏觀斷面

3）該工藝成功應(yīng)用于生產(chǎn)，達(dá)到了節(jié)能降耗的效果，并且大幅提高了生產(chǎn)效率，小車焊接車間焊接實(shí)景如圖9所示，龍門專機(jī)焊接實(shí)景如圖10所示。

圖9 小車焊接車間焊接實(shí)景

圖10 龍門專機(jī)焊接實(shí)景

5 經(jīng)濟(jì)效益分析

（1）生產(chǎn)條件優(yōu)化 免坡口免清根全熔透工藝具有降低能量消耗、節(jié)省工序，以及生產(chǎn)過程機(jī)械化和自動(dòng)化環(huán)節(jié)占比更高等優(yōu)勢(shì)。相對(duì)傳統(tǒng)的焊接工藝，工廠生產(chǎn)各環(huán)節(jié)對(duì)比見表2。

表2 工廠生產(chǎn)各環(huán)節(jié)對(duì)比

（2）焊接效率提升 相對(duì)傳統(tǒng)坡口焊清根焊工藝，免坡口免清根工藝焊接時(shí)間節(jié)省60%以上。另外，免除坡口加工以及碳弧氣刨時(shí)間，工藝生產(chǎn)效率提高近200%。

（3）生產(chǎn)成本降低 焊接過程中記錄了焊接用時(shí)并據(jù)此計(jì)算了費(fèi)用，費(fèi)用對(duì)比明細(xì)見表3。

表3 腹板20mm厚工件焊接總費(fèi)用對(duì)比

1）通過計(jì)算，腹板厚20mm的H型鋼采用免坡口免清根全熔透焊接工藝產(chǎn)生的焊接總費(fèi)用對(duì)比傳統(tǒng)的坡口清根焊工藝要減少60%以上。

2）焊接工件越長(zhǎng)，碳弧氣刨的時(shí)間也就越長(zhǎng)，消耗的成本也越多，費(fèi)用節(jié)省則變得更為明顯。

6 結(jié)束語(yǔ)

1）采用雙絲雙弧埋弧焊，通過調(diào)整工件擺放角度以及焊絲位置，搭配合理的焊接參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)腹板厚度25mm以下的H型鋼主角焊縫免坡口免清根全熔透焊接，焊縫質(zhì)量等級(jí)為I級(jí)，合格，焊接質(zhì)量符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

2）焊接效率與焊接質(zhì)量對(duì)比傳統(tǒng)工藝優(yōu)勢(shì)明顯，可明顯縮短生產(chǎn)周期，為鋼結(jié)構(gòu)制造廠降本增效、提高質(zhì)量提供了條件。