鋼結(jié)構(gòu)生產(chǎn)中常用坡口選用及經(jīng)濟(jì)性分析

許 喆

焊接在鋼結(jié)構(gòu)生產(chǎn)中是影響成本的一個(gè)重要的因素，而坡口形式及尺寸的選用直接影響了焊絲的使用量以及焊接工時(shí)等材料和人工成本。對(duì)于國(guó)內(nèi)項(xiàng)目的坡口選用依據(jù)是《鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范》（GB 50661-2011）中推薦的坡口形式，在此基礎(chǔ)上如何選用正確的坡口形式和尺寸，是影響焊接成本的關(guān)鍵。

1 坡口尺寸對(duì)焊接質(zhì)量的影響

為了保證焊接質(zhì)量，滿足熔透或者部分熔透的焊縫要求，需要將鋼板上開(kāi)設(shè)坡口。坡口的尺寸過(guò)大和過(guò)小都會(huì)影響著焊接的質(zhì)量和成本。坡口的主要尺寸有坡口角度、鈍邊、坡口間隙等。

（1）坡口角度：坡口角度增大有利于保證焊縫質(zhì)量，避免焊接熱裂紋的產(chǎn)生，但是坡口不能過(guò)大，否則不但產(chǎn)生大的焊接變形，而且不經(jīng)濟(jì)。坡口減小所造成的最直接的問(wèn)題是熔深不足，容易造成夾渣。

（2）鈍邊：鈍邊大，則焊接填充量小。但是，對(duì)于襯墊焊，鈍邊過(guò)大則會(huì)造成根部焊縫的未熔合；對(duì)于全熔透清根焊，鈍邊過(guò)大則會(huì)造成清根深度增大，對(duì)成本也會(huì)增加。對(duì)于部分熔透焊縫，鈍邊尺寸不能過(guò)大，必須根據(jù)圖紙要求進(jìn)行，否則會(huì)造成焊縫強(qiáng)度不夠。

（3）間隙：間隙越小，焊接填充量越小，焊接變形也越小。如果是襯墊焊，間隙必須滿足一定尺寸，否則根部質(zhì)量無(wú)法保證。如果是清根焊，根部間隙在裝配過(guò)程中要滿足裝配公差要求。

2 不同工序采用的坡口形式及尺寸分析和比較

根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范》（GB 50661-2011）附錄A中相關(guān)條款，規(guī)范中規(guī)定了手工電弧焊、氣體保護(hù)焊和埋弧焊的坡口類(lèi)型和尺寸。實(shí)際生產(chǎn)中，需要結(jié)合構(gòu)件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用的鋼板厚度，生產(chǎn)工序特點(diǎn)，控制焊接變形等靈活選用坡口，在滿足規(guī)范的前提下，有效減小焊接填充量，優(yōu)化焊縫成本。

2.1 原材料拼接

鋼板的拼接在鋼結(jié)構(gòu)生產(chǎn)中是非常重要的工序。為了提高生產(chǎn)效率，改善焊縫質(zhì)量，通常采用的是埋弧自動(dòng)焊進(jìn)行焊接，對(duì)于無(wú)法采用埋弧焊的部位，可采用氣體保護(hù)焊進(jìn)行焊接。通常鋼板拼接在平焊位置，采用V形坡口或X形坡口可有效保證焊縫的質(zhì)量，根據(jù)國(guó)家規(guī)范《鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范》（GB50661-2011）要求，坡口尺寸宜滿足附錄A中表A的要求，括號(hào)中為規(guī)范允許的裝配公差。如表1要求。

表1 對(duì)接坡口形式示意

通過(guò)GB50661規(guī)定的兩種坡口形式進(jìn)行對(duì)比，對(duì)于V形坡口和X形坡口，采用埋弧焊和氣保焊焊接的差異性僅在于鈍邊尺寸。而鈍邊越大，則焊接填充量越小。

因此，鋼板的拼接盡可能采用埋弧焊，薄板的拼接可采用CO2氣體保護(hù)焊，其坡口尺寸要滿足《鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范》（GB50661）的要求。但是，鋼板的拼接既能采用V形坡口，又能采用X形坡口，不同板厚區(qū)間宜采用不同的坡口形式。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)推薦的坡口形式，V形坡口的焊縫截面積是大于X形坡口的焊縫截面積，考慮到火焰切割以及焊接變形的特性，宜20mm以下采用V形坡口，20mm以上采用X形坡口，6mm以下薄板甚至可以不用開(kāi)設(shè)坡口進(jìn)行焊接；

另外，對(duì)于X形坡口，坡口深度不同，則焊接填充量也不同，根據(jù)焊縫截面積可以得到關(guān)于坡口深度的數(shù)值。

根據(jù)以上表一中四組坡口組合形式，將α值和β值代入，求函數(shù)的最小值，可以得到最小焊接填充量時(shí)坡口深度與板厚t的關(guān)系，如下表2。

表2 X形坡口最小填充量時(shí)坡口深度與板厚t的關(guān)系

上表中，得到了最小的焊接填充量的坡口深度比值，除此以外，坡口深度對(duì)焊接角變形會(huì)產(chǎn)生很大的影響，即除了考慮焊接填充量減小的材料成本，還需要考慮控制焊接變形所增加的人工和時(shí)間成本。

2.2 主要構(gòu)件的截面組裝焊縫

鋼構(gòu)件常見(jiàn)的截面形式主要是焊接H形截面和焊接箱型截面，兩種截面的構(gòu)件占70%以上，在此也僅針對(duì)此兩種類(lèi)型構(gòu)件的截面組裝焊縫進(jìn)行分析說(shuō)明。

2.2.1 BH本體焊縫

BH本體焊縫為了提高效率和焊接質(zhì)量，采用的是埋弧焊進(jìn)行焊接，BH本體焊縫的形式主要有角焊縫，部分熔透焊縫，L形坡口熔透焊縫和K形坡口熔透焊縫。

BH本體焊縫的形式如表3所示。

表3 焊接H型鋼拼裝焊縫形式

其中：

（1）角焊縫的焊腳尺寸與焊縫強(qiáng)度緊密相連，應(yīng)嚴(yán)格按照?qǐng)D紙要求進(jìn)行。

（2）部分熔透焊縫，其坡口角度與深度與焊縫強(qiáng)度有關(guān)，也需嚴(yán)格按照?qǐng)D紙要求進(jìn)行。

全熔透的L形坡口和K形坡口，如果直接采用埋弧焊進(jìn)行焊接，需要開(kāi)設(shè)60°坡口角以及6mm鈍邊，可以考慮采用氣保焊打底埋弧焊蓋面的方式減少焊縫填充量。如直接采用埋弧焊進(jìn)行焊接，其坡口尺寸及公差要求見(jiàn)表4。

表4 埋弧焊T形接頭坡口尺寸及公差

如果采用氣體保護(hù)焊打底，埋弧焊蓋面的形式，則可采用標(biāo)準(zhǔn)推薦的氣體保護(hù)焊的坡口形式，其坡口尺寸及公差要求見(jiàn)表5。

表5 氣體保護(hù)焊T形接頭坡口尺寸及公差

通常，為了控制焊接變形以及考慮切割因素，20mm以下（包括20mm）采用L形坡口，20mm以上采用K形坡口，則根據(jù)這個(gè)原則進(jìn)行計(jì)算，對(duì)于L形坡口，板厚20mm以下的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 板厚20mm以下L形坡口焊縫截面尺寸計(jì)算結(jié)果

通過(guò)表5可知，板厚20mm以下的L形坡口，采用60°角，6mm鈍邊的坡口形式，定位焊結(jié)束后采用埋弧焊焊接，所使用的焊絲最少。

對(duì)于BH的K形坡口，用于20mm以上的鋼板，對(duì)比雙面45°坡口2mm間隙和雙面60°坡口6mm間隙進(jìn)行計(jì)算，焊接填充量關(guān)系如表6所示，以雙面60°坡口，6mm間隙為基準(zhǔn)。

通過(guò)對(duì)表6進(jìn)行分析比較，采用雙面45°、2mm鈍邊，氣保焊打底、埋弧焊蓋面時(shí)坡口截面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于60°,6mm間隙的坡口。當(dāng)鋼板厚度較大時(shí)，減少的焊絲用量能達(dá)到近40%。同時(shí)，系統(tǒng)對(duì)焊接的坡口設(shè)計(jì)有以下功能：用戶在輸入焊接方法、接頭形式、母材厚度等參數(shù)后，系統(tǒng)即啟動(dòng)知識(shí)庫(kù)，根據(jù)上述初始信息，在知識(shí)庫(kù)中找到能與之匹配的規(guī)則，并將規(guī)則的結(jié)論部分追加到全局?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)中，在將設(shè)計(jì)目標(biāo)與數(shù)據(jù)庫(kù)中的內(nèi)容相匹配，成功時(shí)即成為設(shè)計(jì)結(jié)果。

2.2.2 箱型截面組裝焊縫

對(duì)于箱型構(gòu)件的主焊縫，一般情況下全熔透采用單面襯墊焊，部分熔透采用L形坡口或者V形坡口，并且采用的是埋弧自動(dòng)焊進(jìn)行焊接，坡口形式有部分熔透L形、部分熔透V形，全熔透L形，全熔透V形四種。

（1）部分熔透焊縫。箱型構(gòu)件的部分熔透焊縫一般采用L形和V形坡口，坡口角度不同，同時(shí)如果采用45°角坡口，為保證構(gòu)件強(qiáng)度需要進(jìn)行3mm的厚度折減。根據(jù)《高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ99-2012）中相關(guān)要求，焊接箱型組裝焊縫為部分熔透時(shí)，熔透深度不得低于1/2板厚。

經(jīng)計(jì)算，熔深為40mm（板厚80mm）以下時(shí)采用V形坡口，坡口尺寸最小。

（2）全熔透焊縫。箱型構(gòu)件本體全熔透焊縫采用單面襯墊焊，考慮到層狀撕裂等因素，20mm以下采用L形坡口，20mm以上采用V形坡口。關(guān)于單面襯墊焊，常用的有3個(gè)尺寸組合形式，分別是45°坡口，6mm間隙；35°坡口8mm間隙，30°坡口10mm間隙。

經(jīng)過(guò)計(jì)算，采用30°、10mm間隙時(shí)，與45°6mm間隙相比，對(duì)于厚板填充量可以減少達(dá)30%；與35°、8mm間隙對(duì)比，填充量也可以減少10%

（3）V形坡口與L形坡口對(duì)比。對(duì)于全熔透焊縫，當(dāng)采用相同坡口角度和間隙等參數(shù)時(shí)，開(kāi)設(shè)角度對(duì)稱的V形坡口或者非對(duì)稱的V形坡口乃至L形坡口時(shí)，所獲得的填充量是不同的。

經(jīng)過(guò)計(jì)算，如果采用襯墊焊（32mm以下采用35°坡口，32mm以上采用30°坡口），對(duì)接坡口如果采用V形坡口比采用L形坡口，填充量能減少5%～7%。

表7 板厚20mm以上K形坡口焊縫截面尺寸計(jì)算結(jié)果

3 其他經(jīng)濟(jì)成本的建議

3.1 關(guān)于自然坡口

有些項(xiàng)目中存在因?yàn)殇摪逍狈?，而形成自然坡口的情況。通常情況下為了保證焊縫的強(qiáng)度，以及避免形成應(yīng)力集中，要將焊縫沿其夾角方向平滑過(guò)渡到鋼板上，可以通過(guò)加長(zhǎng)鋼材的尺寸，并斜切一個(gè)坡口減小焊接填充量，但是會(huì)增加鋼材的用量如圖1。

圖1 自然坡口開(kāi)坡口斜接焊縫示意

上圖中，陰影區(qū)域?yàn)楹缚p截面積，自然坡口的焊接填充量較大；通過(guò)延長(zhǎng)鋼板尺寸并斜切一個(gè)坡口，可以減少部分焊接填充量。

3.2 襯墊焊及清根焊的選擇

很多焊縫即可以采用單面襯墊焊也可以采用清根焊接，需要對(duì)其綜合成本進(jìn)行比對(duì)。

因?yàn)樯婕暗降拿姹容^廣，需要進(jìn)行全面的成本測(cè)算，本文在此并不打算進(jìn)行詳細(xì)敘述。

3.3 氣保焊的飛濺

氣保焊焊接過(guò)程中造成的焊接飛濺，影響焊絲的使用率。需要強(qiáng)調(diào)的是焊工要按照下發(fā)的WPS進(jìn)行焊接。同時(shí)，養(yǎng)成良好的焊接習(xí)慣，焊絲送絲不暢時(shí)要及時(shí)修理或清理，愛(ài)護(hù)焊接設(shè)備。

3.4 焊材的使用

焊材的使用，避免焊材的浪費(fèi)，勿混用焊材等。

4 結(jié)論

（1）對(duì)接焊縫20mm以下采用V形坡口，20mm以上采用X形坡口，當(dāng)采用X形坡口時(shí)，坡口深度比例為6：4時(shí)，焊縫填充量最小。

（2）部分熔透焊縫和角焊縫的尺寸應(yīng)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行焊接。

（3）板厚20mm以下的T接焊縫采用V形坡口，直接采用埋弧焊進(jìn)行焊接的填充量最?。话搴?0mm以上的T接焊縫采用K形坡口，且K形坡口用氣體保護(hù)焊打底，埋弧焊填充和蓋面焊接，焊縫填充量最小。

（4）板厚30mm以下的襯墊焊采用坡口角度為35°，間隙8mm的組合，填充量最?。话搴?0mm以上的襯墊焊采用坡口角度30°，間隙10mm的組合，填充量最小。

（5）對(duì)于襯墊焊，相同坡口角度和間隙的情況下，V形坡口填充量小于L形坡口的填充量。

（6）加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)管控也是控制焊接成本的一種方式。