鋼結構構件焊接

鋼結構構件的焊接

焊接方法

(1)焊接方法概述

焊接是借助于能源,使兩個分離的物體產生原子(分子)間結合而連接成整體的過程。用焊接方法不僅可以連接金屬材料,如鋼材、鋁、銅、鈦等,還能連接非金屬,如塑料、陶瓷,甚至還可以解決金屬和非金屬之間的連接,我們統(tǒng)稱為工程焊接。用焊接方法制造的結構稱為焊接結構,又稱工程焊接結構。根據對象和用途大致可分為建筑焊接結構、貯罐和容器焊接結構、管道焊接結構、導電性焊接結構四類,我們所稱的鋼結構包含了這四類焊接結構。選用的結構材料是鋼材,而且大多為普通碳素鋼和低合金結構鋼,常用的鋼號有Q235、16Mn、16Mnq、15MnV、15MnVq等,主要的焊接方法有手工電弧焊、氣體保護焊、自保護電弧焊、埋弧焊、電渣焊、等離子焊、激光焊、電子束焊、栓焊等。

在鋼結構制作和安裝領域中，廣泛使用的是電弧焊。在電弧焊中又以藥皮焊條手工電弧焊、自動埋弧焊、半自動與自動CO2氣體保護焊和自保護電弧焊為主。在某些特殊應用場合，則必須使用電渣焊和栓焊。

(2)手工電弧焊

依靠電弧的熱量進行焊接的方法稱為電弧焊,手工電弧焊是用手工操作焊條進行焊接的一種電弧焊,是鋼結構焊接中最常用的方法。焊條和焊件就是兩個電極,產生電弧,電弧產生大量的熱量,熔化焊條和焊件，焊條端部熔化形成熔滴,過渡到熔化的焊件的母材上融合,形成熔池并進行一系列復雜的物理—冶金反應。隨著電弧的移動,液態(tài)熔池逐步冷卻、結晶,形成焊縫。在高溫作用下,冷敷于電焊條鋼芯上的藥皮熔融成熔渣,覆蓋在熔池金屬表面,它不僅能保護高溫的熔池金屬不與空氣中有害的氧、氮發(fā)生化學反應,并且還能參與熔池的化學反應和滲入合金等,在冷卻凝固的金屬表面,形成保護渣殼。(3)氣體保護電弧焊

又稱為熔化極氣體電弧焊,以焊絲和焊件作為兩個極,兩極之間產生電弧熱來溶化焊絲和焊件母材,同時向焊接區(qū)域送人保護氣體,使電弧、熔化的焊絲、熔池及附近的母材與周圍的空氣隔開,焊絲自動送進,在電弧作用下不斷熔化,與熔化的母材一起融合,形成焊縫金屬。這種焊接法簡稱GMAW(GasMetalArcWelding)由于保護氣體的不同,又可分為：CO2氣體保護電弧焊,是目前最廣泛使用的焊接法,特點是使用大電流和細焊絲,焊接速度快、熔深大、作業(yè)效率高；M1G(Metal-Inert-Gas)電弧焊,是將CO2氣體保護焊的保護氣體變成Ar或He等惰性氣體；MAG(Metal-Active-Gas)電弧焊,使用CO2和Ar的混合氣體作為保護氣體(80%Ar+20%CO2),這種方法既經濟又有MIG的好性能。(4)自保護電弧焊

自保護電弧焊曾稱為無氣體保護電弧焊。與氣體保護電弧焊相比抗風性好,風速達10m/s時仍能得到無氣孔而且力學性能優(yōu)越的焊縫。由于自動焊接,因此焊接效率極高。焊槍輕,不用氣瓶,因此操作十分方便,但焊絲價格比CO2保護焊的要高。在海洋平臺、目前美國的超高層建筑鋼結構廣泛使用這種方法。

自保護電弧焊用焊絲是藥芯焊絲,使用的焊機為比交流電源更穩(wěn)定焊接的直流平特性電源。

(5)埋弧焊

埋弧焊是電弧在可熔化的顆粒狀焊劑覆蓋下燃燒的一種電弧焊。原理如下：向熔池連續(xù)不斷送進的裸焊絲,既是金屬電極,也是填充材料,電弧在焊劑層下燃燒,將焊絲、母材熔化而形成熔池。熔融的焊劑成為熔渣,覆蓋在液態(tài)金屬熔池的表面,使高溫熔池金屬與空氣隔開。焊劑形成熔渣除了起保護作用外,還與熔化金屬參與冶金反應,從而影響焊縫金屬的化學成分。

2）焊接變形的種類

焊接變形可分為線性縮短、角變形、彎曲變形、扭曲變形、波浪形失穩(wěn)變形等。

線性縮短：是指焊件收縮引起的長度縮短和寬度變窄的變形,分為縱向縮短和橫向縮短。

角變形：是由于焊縫截面形狀在厚度方向上不對稱所引起的,在厚度方向上產生的變形。

波浪變形：大面積薄板拼焊時,在內應力作用下產生失穩(wěn)而使板面產生翹曲成為波浪形變形。

扭曲變形：焊后構件的角變形沿構件縱軸方向數值不同及構件翼緣與腹板的縱向收縮不一致，綜合而形成的變形形態(tài)。扭曲變形一旦產生則難以矯正。主要由于裝配質量不好,工件擱置不正,焊接順序和方向安排不當造成的,在施工中特別要引起注意。

構件和結構的變形使其外形不符合設計圖紙和驗收要求不僅影響最后裝配工序的正常進行，而且還有可能降低結構的承載能力。如已產生角變形的對接和搭接構件在受拉時將引起附加彎矩，其附加應力嚴重時可導致結構的超載破壞。

3）焊接殘余變形量的影響因素

主要影響因素包括：

①焊縫截面積的影響：焊縫面積越大，冷卻時引起的塑性變形量越大。焊縫面積對縱向、橫向及角變形的影響趨勢是一致的，而且起主要的影響。

②焊接熱輸入的影響：一般情況下，熱輸入大時，加熱的高溫區(qū)范圍大，冷卻速度慢，使接頭塑性變形區(qū)增大。對縱向、橫向及角變形都有變形增大的影響。

③工件的預熱、層間溫度影響：預熱、層間溫度越高，相當于熱輸入增大，使冷卻速度慢，收縮變形增大。

④焊接方法的影響：各種焊接方法的熱輸入差別較大，在其他條件相同情況下，收縮變形值不同。

⑤接頭形式的影響：焊接熱輸入、焊縫截面積、焊接方法等因素條件相同時，不同的接頭形式對縱向、橫向及角變形量有不同的影響。

⑥焊接層數的影響：橫向收縮在對接接頭多層焊時，第一道焊縫的橫向收縮符合對接焊的一般條件和變形規(guī)律，第一層以后相當于無間隙對接焊，接近于蓋面焊時已與堆焊的條件和變形規(guī)律相似，因此收縮變形相對較??；縱向變形，多層焊時的縱向收縮變形比單層焊時小得多，而且焊的層數越多，縱向變形越小。4）焊接的主要缺陷

國標《金屬熔化焊焊縫缺陷分類及說明》將焊縫缺陷分為六類,裂紋、孔穴、固體夾雜,未熔合和末焊透、形狀缺陷和上述以外的其他缺陷。每一缺陷大類用一個三位阿拉伯數字標記,每一缺陷小類用一個四位阿拉伯數字標記,同時采用國際焊接學會(IⅣ)“參考射線底片匯編”中字母代號來對缺陷進行簡化標記。

⑴裂紋缺陷以焊縫冷卻結晶時出現裂紋的時間階段區(qū)分有熱裂紋（高溫裂紋）、冷裂紋、延遲裂紋。

①熱裂紋

熱裂紋是由于焊縫金屬結晶時造成嚴重偏析,存在低熔點雜質,另外是由于焊接拉伸應力的作用而產生的。防止措施有：

控制焊縫的化學成分。降低母材及焊接材料中形成低熔點共晶物即易于偏析的元素，如硫、磷含量；降低碳含量；提高Mn含量，使Mm/S比值達到20～60。

控制焊接工藝參數?？刂坪附与娏骱秃附铀俣?，使各焊道截面上部的寬度和深度比值達到1.1～1.2,同時控制焊接熔池形狀；避免坡口和間隙過小使焊縫成形系數太小；焊前預熱可降低預熱裂紋的傾向；合理的焊接順序可以使大多數焊縫在較小的拘束度下焊接，減小焊縫收縮時所受拉應力，也可減小熱裂紋傾向。②冷裂紋

冷裂紋發(fā)生于焊縫冷卻過程中較低溫度時，或沿晶或穿晶形成，視焊接接頭所受的應力狀態(tài)和金相組織而定。冷裂紋也可以在焊后經過一段時間（幾小時或幾天）才出現，稱之為延遲裂紋。

防止的辦法是：焊前烘烤,徹底清理坡口和焊絲表面的油、水、銹、污等減少擴散氫含量。焊前預熱、焊后緩冷,進行焊后熱處理。采取降低焊接應力的工藝措施，如：在實際工作中，如果施焊條件許可雙面焊，結構承載條件允許部分焊透焊接時，應盡量采用對稱坡口或部分焊透焊縫作為降低冷裂紋傾向的措施之一。

⑵孔穴缺陷分為氣孔和弧坑縮孔兩種。氣孔造成的主要原因：

焊條、焊劑潮濕,藥皮剝落；坡口表面有油、水、銹污等未清理干凈；電弧過長,熔池面積過大；保護氣體流量小,純度低；焊矩擺動大,焊絲攪拌熔池不充分；焊接環(huán)境濕度大,焊工操作不熟練。

防止措施：

①不得使用藥皮剝落、開裂、變質、偏心和焊芯銹蝕的焊條,對焊條和焊劑要進行烘烤。

②認真處理坡口。

③控制焊接電流和電弧長度。

④提高操作技術,改善焊接環(huán)境。

弧坑縮孔是由于焊接電流過大,滅弧時間短而造成的,因此要選用合適的焊接參數,焊接時填滿弧坑或采用電流衰減滅弧。利用超聲波探傷,搞清缺陷的位置后,用碳弧氣刨等完全鏟除焊縫,搞成船底形的溝再進行補焊,焊后再次檢查。

⑶固體夾雜缺陷有夾渣和金屬夾雜兩種缺陷。

造成夾渣的原因有：

多道焊層清理不干凈；電流過小,焊接速度快,熔渣來不及浮出；焊條或焊矩角度不當,焊工操作不熟練,坡口設計不合理,焊條形狀不良。

防止辦法是：徹底清理層間焊道；合理選用坡口,改善焊層成形,提高操作技術。

金屬夾雜缺陷是由于：氬弧焊采用接觸引弧,操作不熟練；鎢級與熔池或焊絲短路；焊接電流過大,鎢棒嚴重燒損。

防止辦法是：氬弧焊時盡量采用高頻引弧,提高操作技術,選用合適的焊接工藝。

⑷未熔合缺陷主要是由于運條速度過快,焊條焊矩角度不對，電弧偏吹；坡口設計不良，電流過小，電弧過長，坡口或夾層清理不干凈造成的。

防止辦法是：提高操作技術，選用合適的工藝參數，選用合理的坡口，徹底清理焊件。

未焊透缺陷產生的原因是由于坡口設計不良，間隙過小，操作不熟練等造成的。

防止辦法是：選用合理的坡口形式，保證組對間隙，選用合適的規(guī)范參數，提高操作技術。

⑸形狀缺陷分為咬邊、焊瘤、下塌、根部收縮、錯邊、角度偏差、焊縫超高、表面不規(guī)則等。

咬邊缺陷是由于電流過大或電弧過長，埋弧焊時電壓過低，焊條和焊絲的角度不合適等原因造成的。對咬邊部分需用直徑3.2～4.0mm的焊絲進行修補焊接。

焊瘤是由于電流偏大或火焰率過大造成的,另外焊工技術差也是主要原因。對于重要的對接焊部分的焊瘤要用砂輪等除去。

下塌缺陷又稱為壓坑缺陷,是由于焊接電流過大,速度過慢,因此熔池金屬溫度過高而造的。用碳弧氣刨進行鏟除,然后修補焊接。

根部收縮缺陷主要是焊接電流過大或火焰率過大,使熔池體積過大造成的,因此要選合適的工藝參數。

錯邊缺陷主要是組對不好,因此要求組對時嚴格要求。從背面進行補焊,也可使用背襯焊劑墊進行底層焊接,希望焊成傾斜度為1/2.5。

角度偏差缺陷主要由于組對不好,焊接變形等造成的,因此要求組對好,采用控制變形的措施才能防止發(fā)生。

焊縫超高、焊腳不對稱、焊縫寬度不齊、表面不規(guī)則等缺陷產生的主要原因是：焊接層次布置不好,焊工技術差,護目鏡顏色過深,影響了觀察熔池情況。

⑹其他缺陷

其他缺陷主要有電弧擦傷、飛濺、表面撕裂等。

電弧擦傷是由于焊把與工件無意接觸,焊接電纜破損；未在坡口內引弧,而是在母材上任意引弧而造成的。因此,啟動電焊機前,檢查焊接,嚴禁與工件短路；包裹絕緣帶,必須在坡口內引弧,嚴肅工藝紀律。

飛濺是由于焊接電流過大,或沒有采取防護措施，也有因CO2氣體保護焊焊接回路電感量不合適造成的?？刹捎猛堪讏追壅{整CO2氣體保護焊焊接回路的電感。5）焊接的質量檢驗

焊接質量檢驗包括焊前檢驗、焊接生產中檢驗和成品檢驗。

(1)焊前檢驗

檢驗技術文件(圖紙、標準、工藝規(guī)程等)是否齊備。焊接材料(焊條、焊絲、焊劑、氣體等)和鋼材原材料的質量檢驗,構件裝配和焊接件邊緣質量檢驗、焊接設備(焊機和專用胎、模具等)是否完善。焊工應經過考試取得合格證,停焊時間達6個月及以上,必須重新考核方可上崗操作。(2)焊接生產中的檢驗

主要是對焊接設備運行情況、焊接規(guī)范和焊接工藝的執(zhí)行情況,以及多層焊接過程中夾渣、焊透等缺陷的自檢等,目的是防止焊接過程中缺陷的形成,及時發(fā)現缺陷,采取整改措施,特別是為了提高焊工對產品質量的高度責任心和認真執(zhí)行焊接工藝的嚴明的紀律性。

1）焊接工藝評定

首次使用的鋼材應進行工藝評定,但當該鋼材與已評定過的鋼材具有同一強度等級和類似的化學成分時,可不進行焊接工藝評定。

首次采用的焊接方法,采用新的焊接材料施焊,首次采用的重要的焊接接頭形式,需要進行預熱、后熱或焊后熱處理的構件,都應進行工藝評定。

進行工藝評定用的鋼材、焊接材料和焊接方法應與工程所使用的相同；對于要求熔透的T形接頭焊接試件,應與工程實物相當。焊接工藝評定應由較高技能的焊工施焊。

2）焊接工藝

①施焊電源的網路電壓波動值應在±5%范圍內,超過時應增設專用變壓器或穩(wěn)壓裝置。

②根據焊接工藝評定編制工藝指導書,焊接過程中應嚴格執(zhí)行。

③對接接頭、T形接頭、角接接頭、十字接頭等對接焊縫及組合焊縫應在焊縫的兩端設置引弧和引出板；其材料和坡口形式應與焊件相同。引弧和引出的焊縫長度：埋弧焊應大于50mm,手弧焊及氣體保護焊應大于20mm。焊接完畢應采用氣割切除引弧和引出板,不得用錘擊落,并修磨平整。

④角焊縫轉角處宜連續(xù)繞角施焊,起落弧點距焊縫端部宜大于10mm；角焊縫端部不設引弧和引出板的連續(xù)焊縫,起落弧點距焊縫端部宜大于10mm,弧坑應填滿。

⑤下雪或下雨時不得露天施焊,構件焊區(qū)表面潮濕或冰雪沒有清除前不得施焊,風速超過或等于8m/s(CO2,保護焊風速>2m/s),應采取擋風措施,定位焊工應有焊工合格證。

⑥不得在焊道以外的母材表面引弧、熄弧。在吊車梁、吊車桁架及設計上有特殊要求的重要受力構件其承受拉應力區(qū)域內,不得焊接臨時支架、卡具及吊環(huán)等。

⑦多層焊接宜連續(xù)施焊,每一層焊道焊完后應及時清理并檢查,如發(fā)現焊接缺陷應清除后再施焊,焊道層間接頭應平緩過渡并錯開。

⑧焊縫同一部位返修次數,不宜超過兩次,超過二次時,應經焊接技術負責人核準后再進行。

⑨焊縫坡口和間隙超差時,不得采用填加金屬塊或焊條的方法處理。

⑩對接和T形接頭要求熔透的組合焊縫,當采用手弧焊封底,自動焊蓋面時,反面應進行清根。

⑾T形接頭要求熔透的組合焊縫,應采用船形埋弧焊或雙絲埋弧自動焊,宜選用直流電流；厚度t≤8mm的薄壁構件宜采用二氧化碳氣體保護焊。厚度t＞5mm板的對接立焊縫宜采用電渣焊。

⑿栓釘焊接前應用角向磨光機對焊接部位進行打磨,焊后,焊接處未完全冷卻之前,不得打碎瓷環(huán)。栓釘的穿透焊,應使壓型鋼板與鋼梁上翼緣緊密相貼其間隙不得>1mm。

⒀軌道間采用手弧焊焊接時應符合下列規(guī)定,軌道焊接宜采用厚度≥12mm,寬≥100mm的紫銅板彎制成與軌道外形相吻合的墊模；焊接的順序由下向上,先焊軌底,后焊軌腰、軌頭,最后修補四周；施焊軌底的第一層焊道時電流應稍大些以保證焊透和便于排渣。每層焊完后要清理,前后兩層焊道的施焊方向應相反；采取預熱、保溫和緩冷措施,預熱溫度為200～300℃,保溫可采用石棉灰等。焊條選用氫型焊條。

⒁當壓軌器的軌板與吊車梁采用焊接時,應采用小直徑焊條,小電流跳焊法施焊。

⒂柱與柱,柱與梁的焊接接頭,當采用大間隙加墊板的接頭形式時,第一層焊道應熔透。

⒃焊接前預熱及層間溫度控制,宜采用測溫器具測量(點溫計、熱電偶溫度計等)。預熱區(qū)在焊道兩側,其寬度應各為焊件厚度的2倍以上,且不少于100mm,環(huán)境溫度低于0℃時,預(后)熱溫度應通過工藝試驗確定。

⒄焊接H型鋼,其翼緣板和腹板應采用半自動或自動氣割機進行切割,翼緣板只允許在長度方向拼接；腹板在長度和寬度方向均可拼接,拼接縫可為“十”,字形或“T”形,翼緣板的拼接縫與腹板的錯開200mm以上,拼接焊接應在H型鋼組裝前進行。

⒅對需要進行后熱處理的焊縫,應焊接后鋼材沒有完全冷卻時立即進行,后熱溫度為200～300℃,保溫時間可按板厚每30mm1h計,但不得少于2h。

(3)焊接檢驗

全部焊接工作結束,焊縫清理干凈后進行成品檢驗。檢驗的方法有很多種,通?？煞譃闊o損檢驗和破壞性檢驗兩大類。

1）無損檢驗

可分為外觀檢查、致密性檢驗、無損探傷

①外觀檢查：是一種簡單而應用廣泛的檢查方法,焊縫的外觀用肉眼或低倍放大鏡進行檢查表面氣孔、夾渣、裂紋、弧坑、焊瘤等,并用測量工具檢查焊縫尺寸是否符合要求。

根據結構件承受荷載的特點,產生脆斷傾向的大小及危害性,將對接焊縫分為三級，不同質量等級的焊縫，質量要求不一樣，規(guī)定采用的檢驗比例、驗收標準也不一樣。

一級焊縫：重級工作制和起重量>50t的中級工作制的吊車梁,其腹板、翼緣板、吊車桁架的上下弦桿的拼接焊縫。

母材板厚Q235鋼t>38mm,16Mn鋼t>30mm,16Mnq、15Mnq鋼t>25mm,且要求熔敷金屬在-20℃的沖擊功Akv≥27J,承受動載或靜載結構的全焊透對接焊縫。

二級焊縫：除上述之外的其他全焊透對接焊縫及吊車梁腹板和翼緣板間組合焊縫為二級焊縫。

三級焊縫：非承載的不要求焊透或部分焊透的對接焊縫、組合焊縫以及角焊縫為三級焊縫。

②致密性檢驗,主要用水(氣)壓試驗、煤油滲漏、滲氨試驗、真空試驗、氦氣探漏等方法,這些方法對于管道工程、壓力容器等是很重要的方法。

③無損探傷：主要有磁粉探傷、渦流探傷、滲透探傷、射線探傷、超聲波探傷等,所謂無損探傷就是利用放射線、超聲波、電磁輻射、磁性、渦流、滲透性等物理現象,在不損傷被檢產品的情況下,發(fā)現和檢查內部或表面缺陷的方法。

磁粉探傷(MT)：是利用焊件在磁化后,在缺陷的上部會產生不規(guī)則的磁力線這一現象來判斷焊縫中缺陷位置?？煞譃楦煞鄯ā穹鄯?、螢光法等幾種。

渦流探傷(ET)：將焊件處于交流磁場的作用下,由于電磁感應的結果會在焊件中產生渦流。渦流產生的磁場將削弱主磁場,形成疊加磁場。焊件中的缺陷會使渦流發(fā)生變化,也會使疊加磁場發(fā)生變化,探傷儀將通過測量線圈發(fā)現缺陷。

滲透探傷(PT)：是依靠液體的滲透性能來檢查和發(fā)現焊件表面的開口缺陷,一般