鐵路客站雨棚鋼管柱焊接工藝試驗探討

丁忠堂 上海鐵路局阜陽鐵路樞紐工程建設指揮部

為更好的指導鋼結構焊接施工工作，對鋼結構焊接的施工過程和質量進行有效地監督和控制，根據《上海鐵路局建設工程工藝試驗管理辦法》中關于特殊、關鍵工程控制的相關要求，對鋼結構焊接進行工藝試驗，確定焊接工藝和焊接施工參數，以達到保證工程質量合格、結構安全可靠的目的。

1 工程概況

新建鐵路阜陽至六安線霍邱客站鋼結構雨棚：基本站臺雨棚為多跨單懸挑和部分雙懸挑鋼架結構，中間站臺雨棚為多跨雙邊懸挑鋼架結構。雨棚長度450m，建筑總面積為13127m2?；菊九_雨棚鋼立柱均為Ф1000mmx16mm鋼管，相對其它鋼結構雨棚鋼管柱算得上直徑較大，管壁較厚的類型。

2 試驗項目及主要資源配置

2.1 試驗項目

本次焊接工藝試驗主要針對鋼管柱對接接頭的焊縫進行CO2氣體保護焊焊接試驗，本試驗構件設計焊縫等級均為二級焊縫。

2.2 試驗設備配置

(1)焊接用主要設備（見表1）。

表1主要試驗設備配置表

(2)檢查檢測設備有：游標卡尺、焊縫檢驗尺、超聲波探傷儀等。

2.3 人員安排

焊接工藝試驗人員配置：技術員1人，檢查員1人，焊工2人。

3 材料材質要求

(1)主材料進場時應有工廠質量保證書（或檢驗合格證），現場見證取樣的檢測報告。具體材料規格及材質見表2。

表2 試驗材料材質統計表

(2)全部鋼管均應符合《低合金結構鋼》（GB1591-94）Q345B鋼材的技術要求，應具有抗拉強度、屈服強度、伸長率和冷彎試驗及碳、磷、硫的化學成分含量的合格保證，鋼材到廠后應進行抽樣復驗，復驗結果應符合現行國家產品標準和設計要求。鋼材的抗拉強度實測值與屈服強度實測值的比值不應小于1.2，鋼材應有明顯的屈服臺階，且伸長率應大于20%，應有良好的可焊性和合格的沖擊韌性。

4 鋼管柱焊接工藝試驗

4.1 試驗準備

4.1.1 試驗分組

CO2氣體保護焊的主要焊接參數有：焊接電流、電弧電壓、焊接速度、氣體流量、焊絲伸出長度、焊縫間隙等。選擇三組焊接技術參數進行工藝性試驗，分別為A、B、C組。詳細的每組焊接工藝參數見表3。

表3 三組試驗焊接技術參數對比表

4.1.2 工作條件

(1)焊工均經過培訓考核，持有上崗證，熟識機械性能和操作規程。

(2)焊絲應儲存在干燥、通風良好的地方，專人保管，使用前應無油銹。

(3)當焊接區風速超過2m/s影響焊接質量時，應停止焊接或對焊接區進行有效擋風裝置防護后方可開始焊接。

(4)作業區的相對濕度應小于90%，雨天禁止露天焊接。

4.1.3焊前坡口制備（其形狀尺寸見圖1）

圖1 坡口制備

4.1.4 前期準備

(1)工作前必須檢查所有氣焊設備。CO2氣體瓶及橡膠軟管的接頭、閥門緊固件應緊固牢靠，不準有松動、破損和漏氣現象，氣體瓶及其附件、橡膠軟管、工具不能沾染油脂的泥垢，這樣保證在焊接的過程中不會因為氣焊設備故障而導致意外發生。

(2)CO2氣瓶應遠離熱源，避免太陽曝曬，嚴禁對氣瓶強烈撞擊以免引起爆炸。

(3)焊接現場周圍不應存放易燃易爆品。

(4)對焊接坡口處應進行質量檢查，如有局部凹凸不平、裂紋和夾層等缺陷，應予消除或修補。

(5)將電焊機電源開關置于"開"的位置，供氣開關置于"氣檢"的位置。

4.2 操作工藝

4.2.1 操作流程

①清理焊接部位；②檢查構件、組裝及定位；③按試驗要求調整焊接工藝參數；④按合理的焊接順序進行焊接；⑤自檢、交檢；⑥焊縫返修；⑦焊縫修磨；⑧合格；⑨交檢查員檢查；⑩關電源、現場清理。

4.2.2 工作原理

CO2氣體保護焊工作原理如圖2所示，焊接時，在焊絲與焊件之間產生電弧，焊絲自動送進，被電弧熔化形成熔滴并進入熔池，CO2氣體經噴嘴噴出，包圍電弧和熔池，起著隔離空氣和保護焊接金屬的作用。

圖2 CO2氣體保護電弧焊原理示意圖

4.2.3 分層施焊

厚壁的焊接，必須開坡口并采用多層焊，多層焊和多層多道接頭的顯微組織較細，熱影響區較窄，前一條焊道對后一條焊道起預熱作用，而后一條焊道對前一條焊道起熱處理作用，因此，接頭的延性和韌性都比較好。圖3為施焊圖，分為對口定位焊、根層打底施焊第1層、中間填充層施焊第2、3層和蓋面層施焊第4層。

圖3 施焊圖

(1)對口定位焊

組裝定位時，不應強行點裝，先制作相應的胎模定位，且施焊所用的焊絲應與正常施焊時相當，定位焊焊縫應與最終焊縫有相同的質量要求，定位焊厚度不宜超過設計焊縫厚度的2/3，定位焊長度不宜大于40 mm，填滿弧坑，定位焊焊縫上有氣孔和裂紋時，必須清除重焊。采用直接短路法接觸引弧，將坡口兩側鈍邊熔化后加絲焊接，注意觀察坡口兩側的熔合情況，必須使熔敷金屬與母材充分熔合。

(2)根層打底施焊

焊槍呈鋸齒形擺動，在兩側適當停留，填絲動作要穩，打底焊層高度不超過4 mm。

(3)中間填充層施焊

填充焊時，使焊道表面下凹，且高度低于母材表面1.5mm～2mm，焊槍做鋸齒形擺動，焊絲要始終處在CO2氣體保護區內，焊接速度盡量加快，避免焊縫表面氧化。

(4)蓋面層施焊

蓋面焊時，焊槍做鋸齒形擺動，焊絲要始終在熔池中間并處在CO2氣體保護區內，焊接熔池邊緣應超過坡口棱邊0.5～1.5 mm防止咬邊。

4.2.4 施焊操作要點

(1)為了防止焊接變形，每個接頭采用兩人對稱施焊。第1層至第3層的焊接對焊接變形的影響最大，必須按照分層施焊要領進行操作，還應注意當焊接第2層時，焊接方向應與第1層方向相反，以此類推，兩名焊工在焊接時的焊接電流、焊接速度和焊接層數應保持一致，每層焊接接頭應錯開15～20 mm，在焊接1至3層結束后，背面及時進行清根，在使用碳弧氣刨清根結束后，必須對焊縫進行機械打磨，清理焊縫表面滲碳，露出金屬光澤，防止表層碳化嚴重造成裂紋。

(2)不應在焊縫以外的母材上打火、引弧。在引弧時，電弧穩定燃燒點不易建立，焊絲易產生飛濺，又因工件始焊溫度低，在引弧處易出現缺陷。采用短路引弧法，引弧前要把焊絲端頭剪去，因為熔化形成的球形端頭在重新引弧時會引起飛濺，引弧時令焊絲比正常送進速度慢一些，以便減緩焊絲與母材的接觸電阻衰減速度，使得短路電流增加到較高的值，確保引弧成功。

(3)收弧過快，易在熔坑處產生裂紋和氣孔。應在熔坑處稍作停留，然后慢慢抬起焊槍，并在接頭處使首層焊縫重疊20～50 mm。

4.3焊接質量缺陷、原因及相應的防止方法

4.3.1 焊縫金屬裂紋

(1)原因：a焊縫深寬比太大；b焊道太窄；c焊縫末端冷卻快。

(2)防止方法：a增大焊接電弧電壓，減小焊接電流；b減慢焊接速度；c適當填充弧坑。

4.3.2 夾渣

(1)原因：a采用多道焊短路電??；b高的行走速度。(2)防止方法：a仔細清理渣殼；b減小行走速度。

4.3.3 氣孔

(1)原因：a保護氣體覆蓋不足；b焊絲污染；c工件污染；d電弧電壓太高。

(2)防止方法：a增加氣體流量，清除噴嘴內的飛濺，減小噴嘴到工件的距離；b清除焊絲上的潤滑劑；c清除工件上的油銹等雜物；d減小電壓。

4.3.4 咬邊

(1)原因：a焊接速度太高；b電弧電壓太高；c電流過大；d停留時間不足；e焊槍角度不正確。

(2)防止方法：a減慢焊速；b降低電壓；c減小電流；d增加在熔池邊緣停留時間；e改變焊槍角度，使電弧力推動金屬流動。

4.3.5 未熔合

(1)原因：a焊縫區有氧化皮和銹；b熱輸入不足；c焊接熔池太大。

(2)防止方法：a仔細清理氧化皮和銹；b提高送絲速度和電弧電壓，減慢焊接速度；c采用擺動技術時應在靠近坡口面的邊緣停留，焊絲應指向熔池的前沿。

4.3.6 未焊透

(1)原因：a坡口加工不合適；b熱輸入不合適。

(2)防止方法：a加大坡口角度，減小鈍邊尺寸，增大間隙；b提高送絲速度以獲得較大的焊接電流，保持噴嘴與工件的距離合適。

4.3.7 飛濺

(1)原因：a電壓過低或過高；b焊絲與工件清理不良；c焊絲不均勻；d導電嘴磨損。

(2)防止方法：a根據電流調電壓；b清理焊絲和坡口；c檢查送絲輪和送絲軟管；d更新導電嘴。

4.3.8 蛇行焊道

(1)原因：a焊絲伸出過長；b焊絲的矯正機構調整不良；c導電嘴磨損。

(2)防止方法：a調整焊絲伸出長度；b調整矯正機構；c更新導電嘴。

5 試驗檢測方法及質量評定結果

所有焊縫表面均做外觀檢查，焊波應均勻，焊縫邊緣應平滑過渡到母材，焊縫表面不得有夾渣、裂紋、未熔合、氣孔、焊瘤及弧坑等；按照設計焊接等級二級焊縫進行超聲波檢測。評定結果見表4。

表4 三組試驗焊接焊縫質量評定結果

6 結論

通過試驗檢測結果獲得了最佳焊接工藝參數（即表3 B組數據），焊縫質量達到設計要求的二級焊縫標準要求。在以上參數下，采取總結出的防止出現焊縫缺陷的一系列的方法，施焊時能有效的預防焊縫缺陷，有效的控制雨棚鋼管柱焊接的質量，達到外美內實的效果，對推動客站雨棚鋼結構其它構件焊接工藝試驗的進行有重要參考意義。