單電雙細(xì)絲埋弧焊在鋼桁梁桿件制造中的應(yīng)用

張華 范澤平 王磊 王簡 李立明

單電雙細(xì)絲埋弧焊在鋼桁梁桿件制造中的應(yīng)用

張華 范澤平 王磊 王簡 李立明

以貴州鴨池河特大橋鋼桁梁制造為工程背景，進(jìn)行了單電雙絲埋弧焊在鋼桁梁桿件制造中的應(yīng)用研究，通過箱型桿件與H型桿件的焊接試驗(yàn)，分析討論了焊縫脫渣、外觀成形質(zhì)量、焊接工位、焊材匹配、焊接變形及焊接缺陷等問題，并提出了相應(yīng)的技術(shù)解決方案。

在鋼桁梁桿件制造中，為改善焊接工藝性能可采用細(xì)絲埋弧焊工藝，也有企業(yè)針對橋梁鋼進(jìn)行了雙電雙絲埋弧焊的試驗(yàn)研究，但尚未有關(guān)于單電雙絲埋弧焊研究應(yīng)用的報(bào)道。本文基于單電雙細(xì)絲埋弧焊具有高效優(yōu)質(zhì)的工藝特點(diǎn)，以貴州鴨池河特大橋鋼桁梁制造為工程背景，進(jìn)行單電雙細(xì)絲埋弧焊工藝在鋼桁梁桿件制造中的應(yīng)用研究，以提高鋼桁梁桿件制造的高效化、自動(dòng)化焊接水平。

1. 試驗(yàn)條件

（1）焊接接頭形式 貴州鴨池河特大橋鋼桁粱弦桿構(gòu)件以箱型桿件為主，典型截面尺寸840mm×900mm。翼緣板板厚28~40mm，棱角焊縫要求部分熔透，焊縫熔深15~19mm。鋼桁粱腹桿構(gòu)件以H型鋼為主，典型截面為600mm×460m，腹板板厚一般為20~24mm，要求角焊縫焊腳尺寸8~12mm。

考慮到產(chǎn)品板厚規(guī)格繁多，在坡口尺寸和焊縫形式相對應(yīng)的基礎(chǔ)上，對焊接試件進(jìn)行簡化設(shè)計(jì)，箱型桿件試件翼緣板板厚25mm，開制深度為13~21mm的單V形坡口，留有不同尺寸的鈍邊；H型桿件試件腹板板厚16mm，試驗(yàn)角焊縫焊腳尺寸為8mm、10mm、12mm。

（2）焊接設(shè)備 研制了龍門式雙頭埋弧焊機(jī)，用于箱型桿件焊接（見圖1）；研制了懸臂式埋弧焊機(jī)，用于H型桿件焊接（見圖2），分別采用了感應(yīng)探頭式和導(dǎo)輪式焊縫跟蹤技術(shù)；焊接電源均為林肯IDEALARC DC—1000，采用單電雙細(xì)絲埋弧焊工藝。感應(yīng)探頭式焊縫跟蹤器結(jié)構(gòu)如圖3所示，單電雙細(xì)絲埋弧焊導(dǎo)電嘴結(jié)構(gòu)如圖4所示。

（3）母材與焊材 鴨池河特大橋鋼桁梁桿件母材有Q345qD、Q420qD，焊接試驗(yàn)試件母材為Q345qD，工藝評定試驗(yàn)試件母材與產(chǎn)品一致，埋弧焊絲牌號為H 1 0 M n 2、φ2.0 m m，埋弧焊劑牌號SJ101q。

圖1 門式雙頭埋弧焊接機(jī)

圖2 懸臂式埋弧焊接機(jī)

圖3 感應(yīng)探頭式焊縫跟蹤器

圖4 單電雙細(xì)絲埋弧焊導(dǎo)電嘴結(jié)構(gòu)

2. 焊接試驗(yàn)

（1）焊接試驗(yàn) 對于箱型桿件焊縫，經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)平焊位更有利于焊縫成形控制，保證焊縫質(zhì)量，以下為各坡口深度試件經(jīng)參數(shù)優(yōu)化后的試驗(yàn)結(jié)果。

坡口深13mm試件的坡口形式及焊縫外觀成形如圖5、圖6所示，焊接參數(shù)如表1所示。

坡口深15mm試件的坡口形式和焊縫外觀成形如圖7、圖8所示，焊接參數(shù)如表2所示。

坡口深17mm試件的坡口形式和焊縫外觀如圖9、圖10所示，焊接參數(shù)如表3所示。

坡口深19mm試件腹板板厚為25mm，坡口鈍邊為6mm，焊縫構(gòu)成及外觀成形如圖11~12所示，焊接參數(shù)如表4所示。

坡口深21mm試件腹板板厚為25mm，坡口鈍邊為4mm，因鈍邊尺寸較小，需用埋弧焊小參數(shù)打底，或用氣體保護(hù)焊打底，以免焊縫燒穿。焊縫構(gòu)成及外觀成形如圖13~14所示，焊接參數(shù)如表5所示。

（2） H型桿件焊接試驗(yàn) H形桿件焊縫連接為腹板不開坡口角焊縫，焊接位置為船形焊，焊接難度較低，根據(jù)不同的焊腳尺寸調(diào)節(jié)相應(yīng)的參數(shù)，焊腳尺寸12mm以下均可一道焊接成形?？偟膩碚f需注意以下四點(diǎn)：①焊劑厚度較薄且均勻。②焊接電流為750~850A時(shí)，效率較高且成形良好，焊接速度根據(jù)焊腳尺寸選擇。③通過調(diào)節(jié)電弧電壓控制焊縫余高。④保證裝配精度，腹板板邊盡可能進(jìn)行機(jī)加工，裝配間隙較小時(shí)，可采用較大電流，。

有助于提高生產(chǎn)效率。

圖5 坡口形式

圖6 焊縫外觀成形

表1 焊接參數(shù)

圖7 坡口形式

圖8 焊縫外觀成形

表2 焊接參數(shù)

圖9 坡口形式

圖10 焊縫外觀成形

表3 焊接參數(shù)

圖11 焊縫構(gòu)成

圖12 焊縫外觀

表4 焊接參數(shù)

圖13 焊縫構(gòu)成

圖14 焊縫外觀

表5 焊接參數(shù)

3. 分析與討論

（1）焊縫脫渣性能 經(jīng)過多次試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)打底焊道在較小電流，較快的焊接速度與較小的電弧電壓條件下具有良好的脫渣性能，后兩者對其影響尤為明顯。綜合考慮焊縫的抗裂性能與焊接效率，打底焊道的焊接參數(shù)優(yōu)化為：焊接電流650~700A，電弧電壓28~30V，焊接速度460~480mm/min。此外焊劑的透氣性對焊縫的表面成形影響顯著，進(jìn)而影響到焊縫的脫渣性能，均勻適量的焊劑厚度可保證焊縫的穩(wěn)定成形。

（2）焊縫外觀成形 通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，影響雙細(xì)絲埋弧焊焊縫外觀的主要因素為焊劑的透氣性與焊接參數(shù)。焊接過程中，當(dāng)鋪放焊劑厚度較薄，可聽到“撲哧撲哧”清脆聲音，此時(shí)焊縫成形穩(wěn)定均勻，外觀成形良好；當(dāng)鋪放焊劑厚度較厚時(shí)，可聽到“噗噗”沉悶聲音，此時(shí)焊縫成形不穩(wěn)定，外觀成形不良，且脫渣性能也不良。

焊接參數(shù)對焊縫外觀成形有一定影響，總的來說，小參數(shù)比大參數(shù)焊接成形美觀，較小焊接速度比快速焊接成形光順。

（3）焊接工位 與單絲埋弧焊類似，焊接工位對雙絲埋弧焊的工藝控制與焊縫成形影響明顯。對于箱型桿件，以翼緣板的方向作為焊接位置的參考方向，平焊位的焊縫成形最優(yōu)、焊接效率最高，焊劑回收容易，平角焊位次之，橫焊位最差。箱型桿件尺寸不大，易于翻身，因此將橫焊位通過工件翻身為平焊位作為優(yōu)先考慮方案。

（4）焊槍傾角、焊絲干伸長、兩焊絲偏距問題 焊槍與豎直面需有15°左右的傾角。焊絲在行進(jìn)方向有10°左右的后傾角，利于焊縫成形。焊絲干伸長為20~30mm較適宜，兩焊絲偏距一般不超過焊絲直徑。

（5）焊接材料匹配問題 當(dāng)板厚＞36mm時(shí)，選用Q420qD鋼；當(dāng)板厚≤36m m時(shí)，選用Q345D鋼。從焊縫性能與母材等強(qiáng)匹配原則來說，對于Q345D鋼，通常選用H10Mn2焊絲配SJ101q焊劑，焊材的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)屈服強(qiáng)度≥400MPa，抗拉強(qiáng)度≥510MPa，能夠滿足Q345D鋼焊接的需求。

對于Q420qD鋼，工件焊接的焊材選用上可考慮“低強(qiáng)匹配”方式，即用H10Mn2焊絲配SJ101q焊劑，試驗(yàn)結(jié)果表明焊縫金屬的屈服強(qiáng)度＞420MPa，抗拉強(qiáng)度＞540MPa，同樣能夠超過Q420qD鋼的標(biāo)準(zhǔn)值，且有一定的富余量。因此在實(shí)際生產(chǎn)中，可用同一焊材焊接不同材質(zhì)的母材，不僅方便生產(chǎn)組織，而且更為經(jīng)濟(jì)。采用φ2.0mm桶裝埋弧焊絲，保證了焊接作業(yè)的連續(xù)性，提高了生產(chǎn)效率。

（6）焊接變形 為了方便比較，在T形接頭試件上進(jìn)行焊接試驗(yàn)，用兩種方法焊接同樣焊腳尺寸的角焊縫，結(jié)果表明單電

雙絲埋弧焊工藝更加有利于控制焊接變形。

（9）焊接氣孔 在H型桿件試制中，焊道表面出現(xiàn)過密集或零星的焊接氣孔，遇到此類情況，一般的處理方法為對待焊區(qū)域進(jìn)行去潮預(yù)熱，控制焊劑的水分含量，增加焊劑的透氣性，降低焊接速度等。

4. 工程應(yīng)用

（1）焊接工藝評定試驗(yàn) 根據(jù)工程要求，在產(chǎn)品正式焊接前需進(jìn)行焊接工藝評定試驗(yàn)，表6列舉了鴨池河特大橋鋼桁梁制造工程的部分焊接工藝評定試驗(yàn)結(jié)果，均采用單電雙絲埋弧焊工藝，埋弧焊絲采用H10Mn2，φ2.0mm，埋弧焊劑采用SJ101q。

從表6中可看出，采用單電雙絲埋弧焊工藝焊制的鋼桁梁桿件試件焊縫，焊縫內(nèi)部熔合良好，各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)均能滿足規(guī)范要求。另外根據(jù)焊接參數(shù)記錄統(tǒng)計(jì)，采用單電雙絲埋弧焊工藝的生產(chǎn)效率較單絲埋弧焊提高50%以上。

（2）實(shí)際產(chǎn)品焊接情況 目前，鴨池河特大橋鋼桁梁桿件已完成焊接，施工順利，焊接整體質(zhì)量優(yōu)良，桿件的制造尺寸精度控制在規(guī)范要求內(nèi)。鋼桁梁桿件實(shí)現(xiàn)了優(yōu)質(zhì)高效化焊接，其技術(shù)處于國內(nèi)領(lǐng)先水平。圖15為箱型桿件焊縫外觀，圖16為H型桿件焊縫外觀。

5. 結(jié)語

我公司通過研制鋼桁梁橋箱型桿件門式雙頭埋弧焊焊接機(jī)和H型桿件懸臂式埋弧焊焊接機(jī)，進(jìn)行了單電雙絲埋弧焊工藝在鋼桁梁桿件制造中的應(yīng)用研究，優(yōu)化了焊接材料與工藝，實(shí)現(xiàn)了鋼桁梁橋高效化、自動(dòng)化焊接。相比傳統(tǒng)工藝，焊接效率提高50%以上。

表6 工藝評定試驗(yàn)結(jié)果

圖15 箱型桿件焊縫外觀

圖16 H型桿件焊縫外觀

此外，我公司成功將單電雙絲埋弧焊工藝應(yīng)用于貴州鴨池河特大橋鋼桁梁桿件，焊縫性能滿足相關(guān)規(guī)范要求，焊接工效大幅提高。

[1]呂建鋒.整體節(jié)點(diǎn)鋼桁梁橋設(shè)計(jì)、制作細(xì)節(jié)問題及有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的探討[J].鋼結(jié)構(gòu)，2013（3）：63-68.

[2]劉菲，韓小義，段斌.單電雙細(xì)絲埋弧焊焊接工藝試驗(yàn)研究[J].鋼結(jié)構(gòu)，2013(10) ：16-18.

張華等，武船重型工程股份有限公司。