論鋼結構窄間隙焊接技術

曹效雷

摘要：本文從介紹和分析窄間隙焊接技術入手，結合建筑鋼結構行業的實際，闡明了我國建筑鋼結構應用窄間隙焊接技術的基本思路，明確提出了窄坡口焊接技術新觀點，指明了技術路線的方向，制定了應用技術研究的新課題。

關鍵詞：窄間隙焊；焊接接頭；窄坡口焊；技術

根據有關文獻和研究結果，與傳統焊接技術相比，窄間隙焊有很多優越性：①焊縫的橫截面積大幅度減少；②熱壓縮塑性變形量大幅度減少且沿板厚方向更趨均勻化；③較小的焊接線能量提高了焊接接頭的沖擊韌性；④焊接效率很高?？梢哉f：窄間隙焊是一種高質量、高效率的焊接技術，尤其是焊接接頭有較高的力學性能、較低的殘余應力和殘余變形以及很高的焊接效率，從而決定了該項技術在鋼結構焊接領域的地位，特別是在厚板焊接工程中具有十分強烈的吸引力。

然而，在建筑鋼結構焊接工程中，真正意義上的窄間隙焊接技術沒有得到應有的推廣應用，說明了該項技術有它固有的局限性。因此，應當正視窄間隙焊接技術中有的問題十分棘手，從根本上看還沒有產生技術飛躍進步，推廣應用尚不盡如人意。

１ 窄間隙焊的技術關鍵

實現高質量、高效率、高可靠性的窄間隙焊并非易事，因為在窄而深的坡口內進行電弧焊接，傳統坡口下的傳統焊接工藝難以保證焊接質量，如果不采用多層多道焊技術，焊縫金

屬的一次結晶極易產生區域偏析，進而產生熱裂紋。除此之外，在技術上尚有如下困難：

1.1在窄間隙焊接條件下，若采用傳統焊接技術，電弧軸線基本與坡口面（坡口側壁）平行，一般情況下連能量密度很低的電弧周邊也難以作用到坡口側璧，更不用說能量密度最高的電弧中心了，這就導致了側璧均勻熔合的可靠性差，在線能量低時這種情況尤為突出，這是窄間隙焊的最大困難。

1.2在窄而深的坡口內進行氣體保護焊明弧焊接時，焊接的飛濺對工藝可靠性影響極大。當飛濺聚集到噴嘴端口和導電嘴出口處，會影響氣體的保護效果和送絲穩定性；飛濺若粘合或焊在側璧上，將直接導致焊槍運行困難甚至短路。

1.3對工藝參數的穩定和電弧空間作用位置的控制要求極高。因為工藝參數的穩定精度和電弧作用的位置精度直接影響到層、道間以及與側璧之間的熔合質量（中、低線能量時尤為突出）；窄而深的坡口內清渣極為困難，且保護氣體的送達和層流狀態的保持直接決定對焊接區的冶金保護，焊槍運行不暢直接影響氣體保護。

世界各國的焊接專家在攻克上述難關的歷程中，發明了許許多多的技術方法，現略舉一二：

1.3.1解決側璧熔合問題：采用麻花焊絲、波浪焊絲；采用雙絲分別偏向兩側璧；采用螺旋送進焊絲；焊絲在坡口內偏擺；交流波形上疊加脈沖；旋轉射流等。不難發現傳統焊接設備是不能完成上述技術的基本動作。

1.3.2解決飛濺問題：采用多、細絲埋弧焊（一般為三絲、中等線能量）；采用富氬氣全射流過渡或射流／短路混合過渡（用脈沖電流）；采用藥芯焊絲電弧焊；采用表面張力過渡特別技術等。

1.3.3解決工藝過程穩定性控制問題：采用降特性電源或脈沖電源；縮短送絲長度，采用高穩定性、高推力的送絲機構；采用特殊箱形噴嘴、多重保護（內、外保護）；采用各種光電式計算機輔助自動跟蹤系統等。從上述介紹中可以發現：窄間隙焊并不是單純的減少焊縫截面積，用常規工藝可以完成的焊接技術；日本壓力容器研究委員會施工分會第八專門委員會對窄間隙焊的定義作了如下規定：窄間隙焊接是把厚度為30ｍｍ以上的鋼板，按小于板厚的間隙相對放置開坡口，再進行機械化或自動化弧焊的方法（板厚小于20ｍｍ時，間隙小于20ｍｍ；板厚大于30ｍｍ時，間隙小于30ｍｍ）。窄間隙焊具有以下特征：①利用了現有弧焊原理的一種特別技術；②多數采用Ｉ型坡口、Ｕ型或雙Ｖ型坡口，精度要求高，坡口角度大小視焊接中的變形量而定；③采用多層焊或多層多道焊；④自下而上各層焊道數目基本相同；⑤采用小或者中等線能量焊接；⑥能夠進行全位置焊。從坡口角度上判斷：30ｍｍ以上的鋼板，焊縫成形系數等于或大于１的坡口不能叫窄間隙焊。

２ 國內外建筑鋼結構應用窄間隙焊的大致情況

目前，國外已研制多種氣保焊的窄間隙焊接方法，并成功地用在鋼結構構件的制作中。其中，多數的方法是具有擺動功能的，可以自由地調節擺動幅度、角度及周期。為達到良好

的保護效果，有的采用雙重保護（內、外）。由國外生產的窄間隙焊接專用設備也已經在國內經銷，目前尚無應用實例，不過，在西氣東輸的工程中，窄間隙全位置焊接技術得到了成功的應用。

在建筑鋼結構領域中，無論是工廠制作還是現場安裝焊接工程，推廣應用窄間隙焊技術是有一定困難的。主要有兩個方面的困難：

2.1高精度的坡口加工是建筑鋼結構焊接工程推廣窄間隙焊接技術的主要障礙

單從焊接的角度上，坡口可以大大地降低焊接成本，但同時也相應地增加了坡口機械加工成本；由于建筑鋼結構焊接量大、焊縫多且長，用機械加工十分困難且成本

很高，估計加工成本遠遠大于焊接成本，特別是在安裝現場由于焊接接頭的復雜性、位置的多樣性，機械加工幾乎不能進行。

2.2特殊的焊接工藝、專用焊接設備是建筑鋼結構焊接工程推廣窄間隙焊接技術的又一難關

首先，要解決高精度坡口加工的機械設備；然后，解決焊接設備。有了上述兩項基礎工作，就有希望開展窄間隙焊技術。

在建筑鋼結構領域內，窄間隙焊接技術有沒有推廣的必要呢？回答是肯定的。由于窄間隙焊接技術固有的優點，在建筑鋼結構領域內其應當得到相應的肯定。特別是在鋼結構焊接接頭拘束度很大、存在層狀撕裂危險的丁字和十字接頭，窄間隙焊接技術大有用武之地。

用常規的設備進行窄間隙焊接，必須對工藝進行研究，并對坡口作適當的改進，同時還要培訓焊工，否則所謂的窄間隙焊接就難以實現。改進后的焊縫坡口成形系數可能大于等于１，不是真正意義上的窄間隙焊。

３ 應用窄間隙焊接技術原理發展窄坡口焊接技術

由于建筑鋼結構領域的特殊性和對工程成本的嚴格要求，大面積應用機械加工坡口是不現實的，購置價格昂貴的專用設備開展窄間隙焊接技術也是不合算的，這是因為建筑鋼結構

焊接接頭同壓力容器焊接接頭情況不同所致。

那么，建筑鋼結構應當走什么樣的技術道路呢？我們認為：應用窄間隙焊接技術原理改革坡口型式，采用多層多道焊技術減少焊縫金屬截面積，提高焊接接頭的綜合性能，就是焊接建筑鋼結構正確的技術路線。

窄間隙焊接技術的核心是減少焊縫金屬的截面積，因此，暫時定義為“窄坡口焊接技術”。

由于鋼結構厚板焊接工程量大、難度高，技術界十分重視坡口的設計：坡口小易形成窄而深的形式，焊縫成形系數偏小，影響一次結晶，容易產生區域偏析；在拘束應力大的前提下進而導致焊接熱裂紋的產生，因此，在坡口減少的同時要采用多層多道焊接技術和組合焊接新工藝。

3.1組合焊接新工藝

在厚板焊接中，常規焊接是從打底、填充到蓋面一種方式全部完成。這種方式由于管理簡便而大量使用，但這種方式也有其局限性。以ＧＭＡＷ為例，在厚板打底焊接中，由于坡口小干絲伸出過長，氣體保護不好而使焊縫金屬產生不應有的缺陷造成返工，產生直接經濟損失。組合工藝的具體內容是：

3.1.1打底焊：采用ＳＭＡＷ（焊條電弧焊），主要有兩個目的：其一，解決ＧＭＡＷ因伸出干絲過長影響焊接質量的矛盾，提高打底焊縫成形質量；其二，ＳＭＡＷ同ＧＭＡＷ相比較，焊縫稀釋率相對較低，這對提高焊縫金屬的綜合指標比較有利。

3.1.2填充焊：采用ＧＭＡＷ，主要的目的是利用ＧＭＡＷ的高效及熔深相對較大的優點，解決了側璧熔合的可靠性，提高焊接質量和效率。

3.1.3蓋面焊：采用ＦＣＡＷ－Ｇ，主要是提高焊縫的表面質量，獲得良好的觀感效果。從焊縫成形的角度上看：打底焊和蓋面焊是最重要的步驟。在厚板焊接中，假如缺陷出在打底焊縫，如果在ＢＯＸ結構體系中，那么返工時間是整條焊縫正常焊接時間的三倍以上。因此，這必須引起各級管理人員和焊工的高度重視，以保證組合工藝的有效實施。

3.2多層多道接頭錯位焊接新工藝

在鋼板焊接中，多層焊的焊縫質量比單層焊好，而多層多道焊的焊縫質量又比多層焊好，特別是板厚超過25ｍｍ時效果最明顯，因此，在厚板焊接時，首選多層多道焊技術。所謂多層焊技術，不是一次成形，而是多層成形，焊接運條手法允許擺動，焊接厚度一般不控制，適合低碳鋼厚板焊接。多層多道焊就是在多層焊的基礎上，焊接手法不允許擺動，焊接厚度要明確規定，以限制焊縫的熱輸入量。多層多道錯位焊接技術就是在多層多道焊接技術的基礎上，加入焊接接頭每一道次錯位連接，即接頭不在一個平面內，通常錯位50ｍｍ以上。這種技術特別適合于高強鋼厚板的焊接。多層多道錯位焊接技術的顯著優點就是上一層次對下一層次進行了有效的熱處理。

在焊后冷卻過程中，焊縫從接近基本金屬開始凝固，單道焊的組織為典型的柱狀結晶，且共晶粒通常是與等溫曲線法線方向（即最大溫度梯度方向）長大。由于凝固是從純度較高的高熔點物質開始，所以在最后凝固部分及柱狀晶的間隙處，便會留下低熔點不純物質。在多層焊時，對前一道焊縫重新加熱，加熱超過900℃的部分可以消除柱狀晶并使晶粒細化。因此，多層焊比單層焊的力學性能要好，特別是沖擊韌性有顯著的提高。

理論和實踐方面均證實：“窄坡口焊接技術”是能夠實現的。問題在于窄坡口小到什么程度？坡口的角度同厚板的具體規格有什么關系？常規的焊接工藝應當作什么改進？這些關鍵技術問題有待我們進一步深入研究解決，相信不久的將來會有滿意的答案。