淺析提高中厚鋼板T形接頭焊接質(zhì)量的方法

李軍峰，李 靖，李圭艷

（1.山東電力建設(shè)第三工程有限公司，山東 青島 266100；2.山東豐匯設(shè)備技術(shù)有限公司，山東 濟南 250200）

鋼結(jié)構(gòu)具有自重輕、建設(shè)周期短、適應性強、造型美觀、維護方便等特點，在工程領(lǐng)域應用越來越普遍。隨著煉鋼技術(shù)的日益成熟，中厚鋼板的應用越來越普及。尤其在建筑鋼結(jié)構(gòu)、電力鋼結(jié)構(gòu)等方面，中厚鋼板得到廣泛應用。如100～125mm 厚鋼板應用在建筑領(lǐng)域，50～80mm厚鋼板應用在電力領(lǐng)域，應用需求旺盛，促進了中厚鋼板焊接技術(shù)的發(fā)展。

在某鋼結(jié)構(gòu)項目中，50mm 以上厚板對接從坡口制備、焊接、熱處理、無損檢驗到移交驗收占據(jù)整個鋼結(jié)構(gòu)制作工藝流程55%的時間；實際生產(chǎn)過程中，鋼板厚度較大，焊縫金屬填充量大，焊縫拘束應力大，易產(chǎn)生裂紋等危害性缺陷，影響產(chǎn)品質(zhì)量和工程進度，同時影響構(gòu)件使用安全性，不利于生產(chǎn)線的連續(xù)性運行。如何提高中厚板T 型接頭焊縫一次檢驗合格率成為迫切需要。目前現(xiàn)有研究只包含了部分中厚鋼板的焊接質(zhì)量管理方法，不夠全面[1]。

1 焊縫型式介紹

焊接連接是鋼結(jié)構(gòu)最主要的連接形式。焊接接頭型式可分為對接、搭接和T 形接3 種；焊縫型式按構(gòu)造可分為對接焊縫和角焊縫2 類，見表1。對接焊縫的靜力和動力性能較好，而且省料，但加工要求較高。角焊縫構(gòu)造簡單，施工方便，但靜力和動力性能較差[2-3]。

表1 焊接接頭及焊縫型式

在T 形接的連接節(jié)點中，當鋼板板厚厚度大于等于40mm 且沿板厚方向有較高撕裂拉力作用，鋼板Z 向性能要求滿足國家標準GB／T5313-2010《厚度方向性能鋼板》規(guī)定的Z15 級允許限制[4]。

2 中厚鋼板焊接質(zhì)量問題原因分析

中厚板T 形焊縫主要缺陷包括未熔合、裂紋、未焊透[5]，從PDCA 循環(huán)分析產(chǎn)生質(zhì)量問題的因素及判定標準如表2 所示。

表2 問題分析表

結(jié)合施工現(xiàn)場情況，對比分析了造成焊接質(zhì)量問題的主要原因如下。

1）冷卻速度過快 焊接現(xiàn)場氣溫較低，中厚板焊接時由于傳熱和散熱快，溫度梯度明顯大于薄板焊接，導致局部收縮應力增大，局部應力可能超過鋼材強度；同時冷卻速度過快導致焊縫中的氫來不及在金屬凝固前逸出，使冷裂紋和延遲裂紋產(chǎn)生的概率大大增加。

2）坡口角度過小 厚板T 形接焊縫均采用V 形坡口，坡口角度<30°時，施焊較困難，易產(chǎn)生坡口未熔合等焊接缺陷。

3）預熱溫度過低 預熱溫度過低，對母材表面進行溫度測量，測量位置為焊縫兩側(cè)1.5 倍板厚范圍，經(jīng)測量，大部分母材預熱溫度達不到標準和工藝要求；厚板預熱溫度不足易使焊接過程中冷卻速度不均勻，焊接應力增大，易產(chǎn)生裂紋缺陷。

4）焊縫清根不徹底 部分焊工在坡口根部清根過程中存在清根不徹底現(xiàn)象，是造成坡口根部未焊透的根本原因。

3 采取應對措施

針對前文分析的主要原因，制定了相應的解決對策如下。

1）針對冷卻速度過快的問題，提出焊接前進行預熱處理；在焊接過程中采取適當?shù)谋卮胧?，延緩冷卻速度，降低冷卻不均導致裂紋產(chǎn)生的可能性；焊接過程中在焊縫兩側(cè)敷設(shè)巖棉進行保溫，減緩散熱冷卻速度，避免因冷卻過快或冷卻不均形成裂紋缺陷。

2）針對坡口角度過小的問題，采取優(yōu)化控制坡口角度的方法，確保所有厚板焊縫坡口角度≥35°；坡口切割過程中實行嚴格控制，坡口切割完成后使用焊接檢驗尺對其尺寸進行100%檢查，檢查合格后方可進行焊接。

3）針對預熱溫度過低的問題，嚴格控制預熱溫度，使預熱溫度達到GB50661-2011《鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范》規(guī)定的溫度范圍；采用H01-40 加熱炬加熱，加熱面對側(cè)敷設(shè)巖棉進行保溫，以減小熱量散失，加熱完成后設(shè)專人測量溫度。采用紅外線測溫槍測量預熱范圍內(nèi)母材表面溫度，40mm以上板厚不得低于60℃，60mm 以上板厚不得低于80℃，80mm 以上板厚不得低于100℃，現(xiàn)場嚴格檢查控制，達到預熱溫度后方可施焊。

4）針對焊縫清根不徹底的問題，提出在清根后增加自檢工序，然后進行后續(xù)焊接，以確保清根徹底，避免清根不足引起的未焊透缺陷的產(chǎn)生。對現(xiàn)場人員和焊工重新進行技術(shù)交底，重點強調(diào)焊縫清根問題。清根時確保清根徹底，清根后的刨槽應形成側(cè)面角不小于10°的單面U 形坡口輪廓。設(shè)專人負責檢查清根質(zhì)量，檢查確認符合要求后方可繼續(xù)施焊。

4 焊接工藝優(yōu)化措施

厚板焊接除了上述解決對策，還應從焊前、焊中、焊后做好以下幾方面的措施。

4.1 焊前加固

T 型接的連接接口在焊接過程中易發(fā)生變形，可以在焊接之前，通過電焊或者夾具，做好T 型接口的位置加固，避免焊接過程中變形導致的接口錯位。

4.2 焊接過程控制

焊接過程中，要嚴格遵循焊接工藝卡要求，做好焊接過程控制。為控制焊接變形，焊前及焊接中應采取必要的加固、反變形、對稱焊及分段退焊等有利于變形控制的措施；為確保焊縫質(zhì)量，焊接過程中，對焊接參數(shù)要進行嚴格監(jiān)督；為提升焊縫性能，中厚板T 型焊縫焊接時要以多層多道焊為主，當采用CO2保護焊接時焊縫厚度大于8mm 時須分層焊，平、橫焊類焊縫寬度大于12mm 必須分道焊，立焊（只允許立向上）時焊縫寬度大于16mm 必須分道焊，埋弧焊時焊縫寬度大于25mm 應分道焊接。多層多道焊焊接過程中，要注意上一層道清理干凈后方可焊接下一層道，層道間接頭錯位宜保持在50～60mm以上，層間溫度不宜高于250℃；此外，焊接應避免出現(xiàn)仰焊。

中厚板焊接時，由于填充焊材熔敷金屬量大，焊接時間長，熱輸入總量高，構(gòu)件施焊時焊縫拘束度高、焊接殘余應力大，焊后應力和變形大。焊接施焊過程中，易產(chǎn)生熱裂紋，對于脆硬傾向較大的鋼種，焊后還極易產(chǎn)生冷裂紋。為此，中厚板T 型焊接時除注意焊前預熱、焊接中采用控制層間溫度的多層多道焊接外還要特別注意焊后熱處理措施的執(zhí)行。通常低合金結(jié)構(gòu)鋼當板厚≥30mm 時，在焊接完成之后，應進行焊后熱處理。通常焊后熱處理主要為后熱（脫氫）和焊后熱處理（去應力熱處理），后熱應在焊后立即進行，焊后立即進行焊后熱處理的焊件可不進行后熱；后熱溫度一般為250～400℃，保溫2～4h，達到保溫時間后緩冷至常溫。焊后熱處理則需要根據(jù)鋼種及技術(shù)要求來制定相關(guān)工藝參數(shù)，并經(jīng)焊接工藝評定合格方可實施。焊后熱處理應在焊后立即進行尤其是冷裂紋敏感性較大的低合金結(jié)構(gòu)鋼和拘束度較大的焊件，普通碳素鋼在環(huán)境溫度較高的夏季若因條件限制可適當拖延但不得超過6h。

4.3 焊后控制

中厚板的T 型焊，焊接后，要進行矯正作業(yè)；尤其對變形量較大的部位宜采用輔助工具進行火焰矯正；矯正作業(yè)應在熱處理后無損檢測前進行；火焰矯正宜采用橢圓形或線性加熱方式，溫度控制在600～800℃；加熱時宜不斷移動火源，以防止局部過熱，不得采用液體或冷風等進行急冷。

5 實施效果

本單位某鋼結(jié)構(gòu)項目，實施上文的措施之后，對50mm 厚及以上的鋼板進行抽樣檢查，焊接一次合格率對照表（表3）。

表3 實施效果對比

通過措施整改，鋼結(jié)構(gòu)厚板焊縫一次檢驗合格率從78%提高到了98.7%，節(jié)約了生產(chǎn)成本和工期，提高了生產(chǎn)效率。

6 結(jié)語

分析了中厚鋼板T 形接焊縫質(zhì)量產(chǎn)生的原因，從預熱溫度、坡口尺寸、冷卻速度和清根方式等方向針對性地提出整改措施，在某鋼結(jié)構(gòu)項目中不僅取得了良好的經(jīng)濟效益，確保了工程質(zhì)量，且縮短了工期，給工程結(jié)算和后期施工創(chuàng)造了有利條件，同時為同類型中厚板焊縫質(zhì)量控制提供了借鑒方案。