H型鋼雙絲埋弧焊不清根全熔透焊接工藝

張建平，滕 氄，闕子雄

（1.浙江精工鋼結構集團有限公司，浙江紹興312030；2.精工工業建筑系統有限公司，浙江 紹興 312030）

0 前言

H型鋼具有質量輕、剛度好、質量優、外觀美、施工方便、施工速度快等優點，被廣泛應用于建筑鋼結構。近些年，隨著厚板在建筑鋼結構的應用，為提高效率，雙絲、三絲及多絲門式埋弧焊機已逐漸應用于生產中[1]。

隨著焊接設備的更新，焊接工藝也需進行相應的試驗研究。根據相關規范要求[2]，在建筑鋼結構中桁架、鋼柱節點區域（梁柱連接）往往是結構設計的重要部位，其H型鋼組立焊縫為全熔透要求。

為了減少工序、降本成效，在多絲門式埋弧焊機上實現中厚板H型鋼焊接反面不清根，達到全熔透工藝尤為重要。

本研究采用門式雙絲埋弧焊機，分析焊接角度、焊絲偏心距離與焊縫熔合區位置之間的相互關系，改變焊接角度和調整焊絲位置，使腹板板厚為20mm的H型鋼主體焊縫達到了全熔透要求。

1 模型建立

1.1 全熔透焊接的可行性分析

1.1.1 初步試驗

首先進行H型鋼門式雙絲埋弧焊試驗。焊接H型鋼試件鋼板材質為Q345B，規格BH500×350×20×30，長度1 800mm。試驗分成2組，第2組的焊接電流、電壓參數較第1組有所增大，焊接工藝參數及試驗結果如表1、表2所示，焊縫宏觀圖片如圖1、圖2所示。

表1 焊接工藝參數

表2 試驗結果

圖1 第1組焊縫宏觀圖片

圖2 第2組焊縫宏觀圖片

初步試驗表明：當其他條件不變時，增加焊接電流、電壓來增加熔深、熔寬能夠達到焊縫全熔透的目的。但從第2組試件可知（見圖2），焊縫外觀成形差，存在咬邊等缺陷，過大的熱輸入使H型鋼角變形增加，機械矯正會增加焊縫出現裂紋的風險[3]。另外，增加電流、電壓容易造成HAZ晶粒粗大而影響焊縫的綜合性能[4]。同時，焊機負載過大，不適合長時間運行，故在實際生產過程中，單純的通過增加電流、電壓來達到焊縫全熔透的目的是不適宜的。

1.1.2 T型接頭模型建立及分析

根據第1組試件的宏觀照片進行分析，如圖3所示。

圖3 宏觀分析

T型接頭單側熔深達到腹板板厚的1/2，熔深最深位置位于翼板，且達到了熔合。可以通過改變H型鋼焊接角度、焊絲位置的方式使焊縫根部熔合區上移，從而達到焊縫全熔透的目的。

初步建立數學模型，如圖4所示。由圖4可知，通過改變H型鋼焊接角度、焊絲前絲偏心的方式都可使焊縫根部熔合區上移。

圖4 第1組試件T型接頭數學模型

1.2 H型鋼焊接角度的確定

T型接頭的前絲焊接數學模型如圖5所示。根據圖5并結合實際情況，r為固定值，h與電流大小成正比，根據he=h-r，將he等效電流大小，確定電流he和焊接角度α之間的關系（見圖6）

即在焊接電流不變的情況下，可以通過增大H型鋼的焊接角度α來增加焊縫板厚方向的熔深，即在其他焊接參數不變的情況下，H型鋼焊接角度越大，焊縫熔深越深。

圖5 T型接頭的前絲焊接數學模型

但在實際操作過程中，H型鋼無法在焊接胎架上隨意增大焊接角度，受門式埋弧焊機焊槍架滾輪的限制，H型鋼的最大焊接角度α約為55°。

圖6 熔深與電流大小、焊接角度的關系

1.3 前絲偏心距離的確定

在H型鋼焊接角度為α的條件下，當焊絲電弧中心線過焊縫中心點位置時，腹板根部板厚中心位置可以實現焊縫全熔透，如圖7所示。

圖7 T型接頭的前絲偏心距離

焊絲最佳偏心距離d的數學關系式為

當 t=20mm，α=52°時

1.4 H型鋼焊接角度保證

受實際胎架角度限制（固定45°），H型鋼擺放角度α的控制需根據截面高度尺寸在胎架根部加設一定高度墊板，如圖8所示，墊板高度尺寸S為

式中 S為墊板高度尺寸；H為H型鋼截面高度；α'為 H 型鋼在胎架上傾斜角度，α'=α-45°。

1.5 分析結果

H型鋼在門式埋弧焊機上焊接時，在常規電流、電壓焊接參數下，通過改變焊接角度和前絲偏心距離得到腹板20mm的H型鋼主體焊縫全熔透的目的是可行的。

圖8 墊板高度的確認

2 接頭試驗

對板厚20mm腹板的H型鋼進行相應的工藝試驗，試驗時H型鋼焊接角度定為52°（通過在胎架上加設高度60mm的墊板來實現），前絲偏心6mm，后絲居中保證焊縫的外觀成形。

2.1 試驗材料及過程

（1）為突出試驗的對比性，H型鋼材質、規格及其他焊接工藝參數與前期第1組試驗相同，即鋼板材質為Q345B，焊接H型鋼試件規格為BH500×350×20×30，長度 1 800mm，力學性能要求為：抗拉強度 470～630MPa，沖擊功（20 ℃）大于等于 34 J。焊絲采用CHW-S3，型號H10Mn2，焊絲直徑φ=4.8mm，焊劑SJ101，使用前烘干。焊接工藝參數如表3所示。

表3 焊接工藝參數

（2）H型鋼試件T型接頭不開設坡口，根部間隙為0～1mm，焊接方法采用SAW，焊接位置為船行焊，采用門式雙絲埋弧焊機，焊接順序及方向如圖9所示。

（3）焊接過程見圖10，焊后成形見圖11。

2.2 試驗項目及結果

2.2.1 檢測結果及數量

試件檢測項目及數量如表4所示。取樣位置如圖12所示。

圖9 焊接順序及方向

圖10 焊接過程

2.2.2 試驗結果

（1）外觀成形。

根據肉眼觀察，H型鋼整體角變形不大，主體焊縫無咬邊、氣孔等缺陷，焊縫無偏焊現象，表面無明顯魚鱗紋產生，整體外觀成形良好。

（2）宏觀腐蝕。

圖11 焊后成形

表4 T型接頭檢測項目及數量（UT探傷合格）

圖12 取樣位置

宏觀金相圖如圖13所示。采用冷酸法對試樣焊縫區域進行低倍宏觀檢驗，試樣焊縫區、熔合線區及熱影響區均無裂紋、氣孔夾雜、未熔合等缺陷，且不存在宏觀偏析（區域偏析）現象。

圖13 宏觀金相

（3）沖擊試驗。

沖擊試驗結果如表5所示。

表5 沖擊韌性試驗結果

由表5可知，焊縫區、熱影響區沖擊韌性均滿足規范要求。

（4）硬度試驗。

硬度取樣測試點如圖14所示。A1～A3為焊縫區，B1～B6為熔合線區，C1～C4為熱影響區。

圖14 硬度取樣測試點

硬度試驗結果如圖15所示，熔合線區硬度最高，且HV10＜350，說明無馬氏體生成。

圖15 硬度實驗結果

（5）微觀金相。

金相結果如圖16所示。焊縫區組織為鐵素體+珠光體（組織呈樹枝狀生長），且有少量魏氏組織產生，這是因為焊縫前絲焊后未得到充分冷卻，后絲再次對其進行加熱，造成焊縫高溫停留時間較長，使焊縫處于過熱狀態形成魏氏組織[5]。熱影響區組織為鐵素體和珠光體，母材帶狀組織依然可見。

3 結論

（1）進行初步試驗，確定了單純的通過增加電流、電壓參數來達到H型鋼全熔透的方式是不適宜的。

（2）根據初步試驗焊縫宏觀結果建立T型接頭焊接數學模型，經理論分析，H型鋼在門式埋弧焊機上進行焊接時，在電流、電壓等焊接參數不變的情況下，可以通過改變H型鋼焊接角度和前絲偏心距離來增加T型接頭腹板側板厚方向的熔深。

（3）對改進后的焊接方式進行工藝試驗。在H型鋼焊接角度為52°，前絲偏心6mm的條件下，板厚為20mm腹板的H型鋼可以達到全熔透要求。力學試驗結果表明，沖擊、硬度符合相關規范要求，同時從宏觀及微觀金相分析，金相組織良好，焊縫區有少量魏氏組織出現，故對于厚板的埋弧焊焊接，應避免大線能量焊接，從而減少焊縫高溫停留時間，避免出現魏氏組織及晶粒粗大的現象。

圖16 微觀金相組織

[1]韓國明.焊接工藝理論與技術[M].北京：化學工業出版社，2003.

[2]GB/T 50661-2011，鋼結構焊接規范[S].中華人民共和國住房與城鄉建設部，2011.

[3]戴為志，高良.鋼結構焊接技術培訓教程[M].北京：化學工業出版社，2009.

[4]陳祝年.焊接工程師手冊[M].北京：機械工業出版社，2000.

[5]曾樂.現代焊接技術手冊[M].上海：上海科學技術出版社，1993.