白曉良　閔曉峰　李亞麗　莫芝林

摘要：采用GMAW（熔化極氣體保護焊）焊接箱形梁柱結構大間隙帶永久襯墊T形接頭時，由于焊接結構設計、焊接參數、焊接手法不當等原因，導致焊縫根部容易出現大量的未熔合、固體夾雜、焊接裂紋等缺陷。采用不同的焊接工藝參數進行焊接試驗，分別從宏觀金相和微觀金相分析焊接缺陷和組織，探討缺陷產生原因，提出幾種經驗證有效的防治措施。對構件坡口形式的設計、焊接襯墊的加工以及構件的焊接工藝具有一定的指導意義。

關鍵詞：熔化極氣體保護焊;永久鋼襯墊;根部未熔合;工藝措施

中圖分類號：TG444+.72 文獻標志碼：B 文章編號：1001-2303（2020）12-0078-04

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.12.16

0 前言

熔焊接頭焊接時，為獲得理想的接頭質量，必須保證焊條、焊絲或電極能方便地到達欲焊部位，這就是熔焊接頭設計時要考慮的可達性問題，在焊接結構設計中經常會遇到焊接和檢驗可達性不足的問題。T形接頭能承受各種方向的力和力矩，特別適用于承受動載的結構，因而廣泛應用于橋梁、工業(yè)建筑等領域的鋼結構設計中。在采用熔化極氣體保護焊（GMAW）焊接狹小的箱形梁柱結構時，受空間限制，焊工難以接近并看清焊接部位，焊槍不能處于正確的施焊位置，導致難以獲得良好的焊縫成形和質量。針對這一問題，常常設計在外側開單面坡口、背面設置永久襯墊的形式（見圖1）以防止燒穿。然而在實際焊接生產中，該類型焊縫極易產生根部未熔合、裂紋等缺陷，尤其是大間隙中厚板的焊接。根部未熔合、裂紋缺陷多以面狀形式存在于帶永久襯墊的T形接頭的焊縫中，使得焊縫有效面積減小、強度降低、塑性韌性下降，當接頭處承受彎曲力矩時，焊根處會產生嚴重的應力集中，并沿著永久襯墊根部向焊縫擴展形成根部撕裂，嚴重影響結構安全[1]。

1 焊接工藝試驗

1.1 母材

選用兩組橋梁鋼材Q345q-D作為焊接試驗用母材，翼板和腹板板厚均為30 mm，試板長400 mm，Q345q-D鋼具有良好的焊接性和較低的缺口敏感性[2]。

1.2 坡口及尺寸

兩組試件的坡口形式及尺寸一致，根據常用的建筑、橋梁結構設計制定坡口形式及尺寸如圖2所示，其中腹板開設單邊坡口角度a為30°，不留鈍邊，根部間隙b為10 mm，鋼襯墊材質選用與母材相當的Q345D，厚度c為6 mm，寬度d為30 mm[3]。

1.3 焊接位置與焊道布置

兩組試件均采用平焊位置，A組試件坡口底部為多層多道焊，采用小線能量進行打底焊，焊槍不做擺動，沿直線窄焊道行進;B組試件坡口底部采用多層單道焊，焊槍沿根部坡口面做橫向擺動。

1.4 焊接方法與焊接材料

采用GMAW焊，焊接參數如表1所示。焊絲型號為ER50-6，直徑1.2 mm。焊接試驗在25 ℃環(huán)境下進行，空氣濕度65%，焊接過程不進行預熱和后熱處理。

1.5 超聲檢測

A、B試件焊接完畢冷卻至室溫，進行目視檢測合格，依據GB/T11345進行了超聲檢測[4]，發(fā)現試件距焊縫根部2～4 mm處均存在難以定性和定量的細小焊接缺陷。

2 金相分析

2.1 宏觀金相

避開兩端起、收弧各20 mm，分別從A、B試件的焊縫的中部和兩側均勻截取3個宏觀金相試樣進行機械切割，經過打磨、拋光、腐蝕之后檢查缺陷位置和尺寸。

最終酸蝕結果（見圖3）發(fā)現：試樣A1的翼板側焊縫根部0.2 mm裂紋1條，翼板側焊縫根部未熔合1 mm，由未熔合處向焊縫中心延伸的0.5 mm裂紋1條;試樣A3的腹板側焊縫根部0.1 mm裂紋1條，翼板側焊縫根部裂紋0.3 mm;試樣B1的腹板側焊縫根部0.2 mm裂紋1條，腹板側距襯墊1 mm熔合線處1 mm夾雜1點，翼板側焊縫根部未熔合2 mm;試樣B2翼板側焊縫根部未熔合1 mm，由未熔合處向焊縫中心延伸的1.5 mm裂紋1條，腹板側焊縫根部0.1 mm裂紋1條;試樣B3翼板側焊縫根部未熔合2 mm，未熔合中部向焊縫及襯墊輻射0.3 mm裂紋3條，腹板側焊縫根部0.2 mm裂紋1條。

通過縱向分析可知，6個試樣的未熔合與裂紋缺陷集中出現在根部焊縫靠近翼緣板處，靠近腹板側缺陷較少，且未熔合范圍窄、裂紋小，對焊縫質量影響小。從橫向分析來看，A試板的焊接缺陷與B試板相比，未熔合范圍更窄，裂紋擴展較小。

2.2 微觀金相

選取根部裂紋較清晰的典型試樣B2翼板側焊縫根部裂紋進行微觀金相檢驗（見圖4），發(fā)現焊縫組織為沿柱狀晶分布的共析鐵素體和粒狀貝氏體，裂紋沿著柱狀晶晶界處開裂，其中粒狀貝氏體有效晶粒為原奧氏體晶粒，M-A小島較為密集，鐵素體沿著原奧氏體晶界析出形態(tài)為條狀、塊狀，部位為羽毛形態(tài)。

3 缺陷形成機理分析及危害

經A、B兩組試件的宏觀金相檢驗并統(tǒng)計缺陷可知，帶永久襯墊的T形接頭焊縫缺陷主要有：翼緣板和腹板側根部焊縫未熔合和裂紋，局部出現少量的焊道及與坡口面夾雜。

3.1 未熔合

試件A在焊接過程中采用多層多道焊，永久襯墊打底層分別在翼板和腹板側分2道施焊，使襯墊與翼板夾角處熔化約1 mm，焊縫熔透深度超過腹板表面，產生的未熔合缺陷較少，尺寸也較小;而試件B在焊縫底部采用多層單道焊，打底層僅做橫向擺動，焊縫熔透深度未超過腹板表面，并且普遍產生了尺寸較大的未熔合缺陷。在較厚的母材上進行打底層施焊，由于鋼襯墊與母材貼合不緊密，焊絲熔化后的鐵水流向離熔池較遠的襯墊與母材的夾角，鐵水與周圍的低溫母材接觸，溫度降低后以未熔合的形式覆蓋在翼板表面;由于焊槍在該厚板帶襯墊的T形接頭根部可達性差，若僅做單道擺動焊接，焊絲擺動幅度受限，導致兩側熔合較淺。采用多道焊接，通過調整焊槍位置使其與母材成45°夾角，電弧集中在襯墊與母材的接觸坡口面上，增加熔深，避免鐵水流入襯墊與母材夾角造成未熔合[5]。

3.2 根部裂紋

根部裂紋的出現主要是未熔合與焊接應力造成的。熔合不良區(qū)域屬于焊縫的薄弱區(qū)域，強度、塑性和韌性都較差，也是應力集中區(qū)域。中厚板焊接變形較大，焊接前往往要進行反變形，襯墊與母材貼合面的夾角較大，間隙也較大，焊接過程中由于焊接變形，填充和蓋面層焊縫金屬在冷卻收縮過程中形成的拉應力使腹板向大坡口側收緊，同時作用于襯墊與打底焊縫結合面，亦將襯墊下部拉向焊縫中心，襯墊上部因受腹板的遮擋而不能同步自由收縮，根部兩側未熔合處在拉應力的繼續(xù)作用下，造成非常大的應力集中，形成裂紋[6]。采用多層多道焊，熱輸入較小時，能夠減小焊接變形和應力，阻止裂紋的擴展或是避免裂紋，同時多層多道相當于正火熱處理，得到的焊縫組織大多為珠光體，晶粒較小，具有良好的綜合力學性能。B組試件采用的線能量較大，易導致晶粒粗大，形成脆硬組織，其中形成的粒狀貝氏體有效晶粒粗大，分布于鐵素體基體上的M-A小島中馬氏體比較脆硬，而于晶界析出的條狀、羽毛狀鐵素體屬于有害組織，整個組織塑韌性較差，在應力作用下易產生沿晶開裂[7]。

3.3 焊道及與坡口面夾雜

從缺陷檢出位置來看，試件A在焊縫底部、中部和蓋面層均出現了不同程度的3處夾雜，試件B僅在襯墊根部出現一處細小夾雜。這是因為試件A采用多層多道焊，焊槍在狹窄的坡口內焊接時，焊道之間過渡不平滑，容易在焊道間形成夾溝，施焊下一層焊道時，夾溝處的雜質留在焊縫內部形成夾雜缺陷。而試件B采用多層單道焊，每層焊道一次擺動成形，不易形成焊道夾雜缺陷。焊縫夾雜會降低焊縫塑性和韌性，其尖角往往造成應力集中，特別是在淬硬傾向大的焊縫中，尖角頂點常形成裂紋。

3.4 未熔合與裂紋的危害性

未熔合不僅直接減小結構的有效強度，而且在構件使用過程中產生應力集中，很容易在其邊緣擴展形成裂紋，尤其是帶永久襯墊的T形接頭根部未熔合，往往在焊接過程中產生極強的應力集中，再由焊縫收縮產生的拉應力作用使焊縫開裂。此類未熔合常常在焊縫根部整條產生，因此極易導致整個焊縫的開裂，最后導致結構件的突然斷裂失效。

焊接結構具有整體性，其剛度大，對應力集中較為敏感，帶永久襯墊的T形接頭根部裂紋往往是整條貫穿性的，造成的結構破壞也是毀滅性的。大量工程事故分析表明，由于地震等外力作用所導致坍塌的橋梁等鋼結構，破壞多起源于箱型梁柱結構的永久襯墊根部裂紋處。

4 預防和改進方法

4.1 工藝措施

針對30 mm以上的中厚板，建議組焊完成后，對試件坡口兩側進行局部預熱，尤其是保證翼板、腹板兩側坡口根部的預熱溫度，使根部焊道在兩側夾角處熔合良好，同時降低焊后冷卻速度，防止出現根部淬硬組織。

制定合理的焊接工藝參數，降低焊接線能量，在平焊、立焊位置打底層采用多層多道焊，焊接過程中坡口兩側多停留，以保證熔深。制作防變形工裝，對焊接試板進行剛性固定，防止焊接變形應力導致焊接裂紋。

4.2 陶瓷角襯墊

采用陶瓷角襯墊代替永久鋼襯墊，焊接前將襯墊貼于坡口背面，在成形良好的情況下，達到單面焊雙面成形的效果[8]。該方法不僅避免了因采用鋼襯墊導致的根部未熔合、根部裂紋等一系列問題，而且在焊縫背面形成了一定尺寸的焊腳，使焊縫背面平緩過渡，避免應力集中。

4.3 改良型永久襯墊

改良型永久襯墊按襯墊坡口固定朝向分為內側和外側兩種（見圖6），即對原有襯墊進行一定的坡口加工，坡口面寬度及坡口角度根據腹板與翼板預留間隙確定，焊前將襯墊按襯墊坡口朝向固定焊接在T形接頭坡口底部，預留約2 mm間隙進行點焊固定，打底層采用擺動手法，一道焊接成形。應用改良型永久襯墊能夠有效消除翼板側焊縫根部未熔合及裂紋，進一步避免結構的破壞。

5 結論

（1）帶永久襯墊的T形接頭的設計形式存在不合理之處，在進行GMAW施焊時，會在焊縫根部的翼、腹板兩端角產生未熔合并引起熱裂紋，該熱裂紋往往沿永久襯墊整體開裂，容易在外力作用下導致結構的整體破壞。

（2）采用多層多道焊，小線能量施焊帶永久襯墊的T形接頭與多層單道焊相比，可在一定程度上避免和減小翼板和腹板兩側根部未熔合及裂紋缺陷。

（3）采取焊前預熱，制定合理工藝參數，采用陶瓷角襯墊等方法可使T形接頭根部焊道熔合良好，減少未熔合、裂紋缺陷的發(fā)生，但受施工條件和結構形式的約束，以上方法的應用有一定的局限性，針對這一接頭形式存在的焊接缺陷問題仍需要進一步研究。

參考文獻：

[1] 中國機械工程學會焊接學會. 焊接手冊 第3卷 焊接結構（第三版）[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2008：30-33，59.

[2] GB/T 714-2015，橋梁用結構用鋼[S]. 2015.

[3] GB/T 985.1-2008，氣焊、焊條電弧焊、氣體保護焊和高能束焊的推薦坡口[S]. 2008.

[4] GB/T11345-2013，焊縫無損檢測超聲檢測技術、檢測等級和評定[S]. 2013.

[5] 武旭平. CO2氣體保護焊接頭產生未熔合的探討[J]. 金屬加工，2017（10）：65-66.

[6] 陳伯蠡. 焊接工程缺欠分析與對策（第二版）[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2006.

[7] 于慶波. 不同類型的貝氏體組織對低碳鋼力學性能的影響[J]. 機械工程學報，2009，45（12）：284-288.

[8] 尹恒，邱明輝，李宏偉，等. 陶瓷角襯墊在熔透T形接頭中的應用[J]. 焊接技術，2015，44（9）：95-97.

收稿日期：2020-08-09

作者簡介：白曉良（1986— ），男，學士，工程師，主要從事焊接技術及無損檢測的研究。E-mail：738952383@qq.com。