張華，高興，代鑰

武船重型工程股份有限公司 湖北武漢 430415

1 序言

焊接作為制造業(yè)的基礎(chǔ)技術(shù)，在航空航天、海洋工程與艦船、水利電力、軌道交通及橋梁建筑等各個(gè)領(lǐng)域都扮演著不可或缺的重要角色，焊接接頭大致分為對(duì)接接頭、搭接接頭、T形接頭、角接接頭和端接接頭幾種基本類型[1]。T形接頭在船舶、橋梁等焊接結(jié)構(gòu)中廣泛應(yīng)用，根據(jù)焊縫形式可分為角焊縫、部分熔透焊縫和全熔透焊縫，如圖1所示。

圖1 T形接頭焊縫形式

鑒于目前T形接頭清根熔透焊接工藝存在一定的弊端，結(jié)合部分熔透焊縫（PJP）及全熔透焊縫（CJP）的工藝特點(diǎn)，本文提出“部分全熔透焊縫”（以下簡(jiǎn)稱PCJP）焊接質(zhì)量控制方法，以利于實(shí)施免清根及自動(dòng)化焊接工藝，提高焊接質(zhì)量和效率。

2 關(guān)于T形接頭焊縫熔透要求

2.1 T形接頭焊縫的應(yīng)用現(xiàn)狀

足夠的焊縫尺寸是保證焊接結(jié)構(gòu)連接強(qiáng)度的前提條件，在工程實(shí)際中，一方面因構(gòu)件焊縫尺寸不足引起的質(zhì)量安全事件時(shí)有發(fā)生；另一方面，過(guò)度焊接的現(xiàn)象比較普遍，如可用角焊縫的部位要求采用部分熔透焊縫，可用部分熔深焊縫的部位要求采用全熔透焊縫，過(guò)度焊接對(duì)于焊接變形及焊接成本控制不利。T形接頭全熔透焊縫被大量采用，其原因可能有以下兩個(gè)方面：一是相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)于T形接頭焊縫要求的規(guī)定不夠明確，設(shè)計(jì)人員在主觀上認(rèn)為全熔透焊縫更可靠；二是從焊接質(zhì)量控制角度，部分熔透焊縫內(nèi)部質(zhì)量的檢測(cè)手段及其有效性不如全熔透焊縫，全熔透焊縫要求更有利于控制焊縫內(nèi)部質(zhì)量。

2.2 T形接頭全熔透焊縫的局限性

在焊接工藝實(shí)施中，為實(shí)現(xiàn)全熔透焊接，往往在焊接一側(cè)焊縫后，在另一側(cè)采用碳弧氣刨清根再進(jìn)行焊縫的焊接。碳弧氣刨清根是一種落后的作業(yè)方式，產(chǎn)生的煙塵和噪聲非常大，工作環(huán)境惡劣，形成的焊接坡口一致性差，不利于實(shí)施自動(dòng)化焊接工藝，此外會(huì)顯著增加焊接工作量及焊接變形量。碳弧氣刨清根現(xiàn)場(chǎng)如圖2所示。

圖2 碳弧氣刨清根現(xiàn)場(chǎng)

針對(duì)T形接頭全熔透焊接要求，為提高生產(chǎn)效率，相關(guān)單位開(kāi)展了免清根熔透焊工藝的研究，采用埋弧焊或深熔聚弧氣體保護(hù)焊，利用其熔深大的工藝特性，可有效提高焊縫根部的熔透性[2-4]。由于免清根熔透焊工藝對(duì)焊接坡口尺寸及焊絲對(duì)中精度要求較高，易在產(chǎn)品批量生產(chǎn)中表現(xiàn)出適應(yīng)性不良現(xiàn)象，造成焊縫合格率低、返修率高等問(wèn)題。

2.3 T形接頭全熔透焊縫的必要性

全熔透焊接可最大程度地減少焊縫內(nèi)部缺欠，但同時(shí)在很大程度上增加了焊接難度，因此，對(duì)于T形接頭是否有必要進(jìn)行全熔透焊接長(zhǎng)期存在意見(jiàn)分歧。張劍峰等[5]對(duì)鋼板梁翼緣與腹板角焊縫是否需要熔透焊進(jìn)行了探討，推薦采用部分熔透的對(duì)接與角接組合焊縫，不推薦全熔透焊縫，以利于工廠機(jī)械化、自動(dòng)化生產(chǎn)，提高焊接質(zhì)量的穩(wěn)定性。張華等[6]指出T形接頭在雙面焊接條件下，足夠的焊縫尺寸（包括熔深及焊腳尺寸）可以避免焊縫內(nèi)部焊根處產(chǎn)生疲勞裂紋，焊趾處的疲勞破壞問(wèn)題應(yīng)是關(guān)注重點(diǎn)。

由于雙側(cè)焊腳的加強(qiáng)作用，當(dāng)焊縫熔深達(dá)到一定值時(shí)，T形接頭焊縫失效模式由焊根轉(zhuǎn)變?yōu)楹钢菏?；進(jìn)一步提高焊縫熔透率，對(duì)于提升焊接接頭疲勞強(qiáng)度的作用有限?？傊?，全熔透焊接不是保證T形接頭靜載強(qiáng)度及疲勞強(qiáng)度的必要條件，對(duì)于高承載要求的T形接頭焊縫，需采取必要的技術(shù)措施，保證足夠的焊縫尺寸，限制焊縫內(nèi)部未焊透尺寸，降低焊根處的應(yīng)力集中系數(shù)，避免產(chǎn)生焊根疲勞失效。

3 PCJP焊接質(zhì)量控制方法及適用范圍

3.1 PCJP焊接質(zhì)量控制方法的概念

提出PCJP焊接質(zhì)量控制方法，即對(duì)于重要承載的T形接頭焊縫，在焊縫設(shè)計(jì)、焊接、檢測(cè)過(guò)程中，基于焊縫性能需求，實(shí)施免清根焊接工藝，通過(guò)無(wú)損檢測(cè)手段，整體上以全熔透焊縫檢測(cè)一次合格率控制焊縫內(nèi)部質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)制造；局部上以未焊透焊縫最低熔深要求作為焊縫內(nèi)部質(zhì)量驗(yàn)收指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)高效、低成本生產(chǎn)。

3.2 PCJP焊接質(zhì)量控制方法的原理

圖3所示為T形接頭焊縫熔透率與疲勞強(qiáng)度、焊接成本的關(guān)系。從圖3可看出，隨著焊縫熔透率的增加，焊縫疲勞強(qiáng)度呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，其中存在疲勞失效模式轉(zhuǎn)折點(diǎn)，即當(dāng)焊縫熔深率低于該值時(shí)，焊縫疲勞失效模式以焊根失效為主，焊接接頭疲勞性能處于較低水平；而當(dāng)焊縫熔透率高于該值時(shí)，焊縫疲勞失效模式以焊趾失效為主，焊接接頭疲勞性能處于較高水平，此時(shí)焊縫熔透率的變化對(duì)焊接接頭疲勞性能影響不顯著。

此外，隨著焊縫熔透率的增加，焊接成本也呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，其中存在清根工藝轉(zhuǎn)折點(diǎn)，當(dāng)焊縫熔透率低于該值時(shí)，采用免清根焊接工藝可滿足相應(yīng)的質(zhì)量要求，焊接成本相對(duì)較低；而當(dāng)焊縫熔透率高于該值時(shí)，則需要采用清根焊接工藝才能滿足相應(yīng)的質(zhì)量要求，對(duì)應(yīng)的焊接成本將大幅增加，而疲勞性能并無(wú)明顯提升。

基于PCJP焊接質(zhì)量控制方法，T形接頭焊縫內(nèi)部質(zhì)量要求所對(duì)應(yīng)的焊縫熔透率處于疲勞失效模式轉(zhuǎn)折點(diǎn)與清根工藝轉(zhuǎn)折點(diǎn)之間，且接近于清根工藝轉(zhuǎn)折點(diǎn)。一方面，以全熔透焊縫檢測(cè)一次合格率要求規(guī)范焊接工藝，對(duì)焊縫內(nèi)部質(zhì)量進(jìn)行有效控制，充分滿足焊縫性能需求；另一方面，相對(duì)于100%全熔透焊縫要求，便于實(shí)施免清根及自動(dòng)化焊接工藝，大幅提高焊接效率，降低焊接成本，從而實(shí)現(xiàn)焊接質(zhì)量、焊接效率、焊接成本三者之間的有效統(tǒng)一。

3.3 相關(guān)要求

基于PCJP焊接質(zhì)量控制方法，T形接頭焊縫中的全熔透焊縫檢測(cè)一次合格率及未焊透焊縫的最低熔深要求需有明確的規(guī)定，結(jié)合T形接頭免清根熔透焊工藝實(shí)踐，對(duì)于腹板板厚為8～40mm的T形接頭，推薦采用雙“80%”要求，即全熔透焊縫檢測(cè)一次合格率不低于80%，未焊透部分焊縫熔深不低于80%板厚即可驗(yàn)收，免于返修。

超聲波檢測(cè)是T形接頭焊縫內(nèi)部質(zhì)量無(wú)損檢測(cè)的主要方式，目前，普通A型超聲波檢測(cè)可有效判別焊縫內(nèi)部是否存在未焊透缺欠，以此準(zhǔn)確統(tǒng)計(jì)全熔透焊縫檢測(cè)一次合格率，而對(duì)未焊透缺欠高度尺寸的檢測(cè)精度較低，因此需積極開(kāi)展超聲波相控陣檢測(cè)等先進(jìn)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的研究應(yīng)用，提高T形接頭焊縫內(nèi)部缺欠的檢測(cè)精度，從而起到更好控制焊接質(zhì)量的作用。

3.4 適用范圍

需要說(shuō)明的是，焊縫尺寸參數(shù)需根據(jù)焊接接頭的實(shí)際受力需求進(jìn)行設(shè)計(jì)，一般非關(guān)鍵受力焊縫或聯(lián)系焊縫，采用角焊縫或部分熔透焊縫即可，避免過(guò)度焊接。PCJP焊接質(zhì)量控制方法僅適合于焊接結(jié)構(gòu)中有高承載要求的關(guān)鍵T形接頭焊縫，如鋼橋結(jié)構(gòu)中的橋面板常規(guī)8mm厚U肋焊縫，以及鋼錨箱、鋼錨梁中的主要承力焊縫等。

4 應(yīng)用案例

正交異性鋼橋面板結(jié)構(gòu)具有重量輕、承載能力強(qiáng)的特點(diǎn)，在鋼結(jié)構(gòu)橋梁中得到了廣泛應(yīng)用。其中，橋面板縱向加勁U肋與橋面板連接焊縫極為關(guān)鍵。主要特點(diǎn)有：U肋焊縫數(shù)量多、焊接量大，一座跨徑千米級(jí)鋼結(jié)構(gòu)橋梁，橋面板U肋角焊縫總長(zhǎng)達(dá)10萬(wàn)m以上；U肋作為封閉型構(gòu)件，內(nèi)部空間狹小，焊接難度大，傳統(tǒng)單面焊的焊根熔合質(zhì)量不易控制，新型雙面焊的內(nèi)焊質(zhì)量控制難度大；U肋焊縫抗疲勞性能要求高，受橋面車輪載荷的反復(fù)作用，易產(chǎn)生疲勞裂紋，且疲勞裂紋的檢測(cè)與修復(fù)困難。正交異性鋼橋面板結(jié)構(gòu)如圖4所示。

由于U肋內(nèi)部空間狹小，傳統(tǒng)工藝只能從外側(cè)進(jìn)行單面焊接，對(duì)U肋焊縫抗疲勞性能較為不利，國(guó)內(nèi)企業(yè)成功開(kāi)發(fā)了U肋內(nèi)焊技術(shù)[7]，從2016年起開(kāi)始推廣應(yīng)用U肋新型雙面焊技術(shù)，采用氣體保護(hù)焊或埋弧焊工藝。PCJP焊接質(zhì)量控制方法在多個(gè)鋼橋項(xiàng)目的橋面板U肋焊接中得到了良好的應(yīng)用，其中“深中通道”項(xiàng)目要求鋼橋面板U肋焊縫全熔透檢測(cè)一次合格率不低于96%，未焊透部分焊縫熔深不低于U肋板厚的75%。

“深中通道”鋼橋面板U肋與橋面板連接形成T形接頭焊縫，U肋板厚8mm，免開(kāi)坡口，在專用自動(dòng)化焊接設(shè)備上進(jìn)行焊接，采用免清根雙面埋弧焊工藝，內(nèi)外側(cè)各一道焊接成形，焊接效率高。U肋內(nèi)外焊場(chǎng)景如圖5所示。內(nèi)焊焊絲直徑1.6mm、焊接電流400～420A、電弧電壓32～34V、焊接速度400mm/min；外焊焊絲直徑3.2mm、焊接電流630～650A、電弧電壓33～35V、焊接速度510mm/min。U肋全熔透、部分熔透焊縫宏觀金相如圖6所示。

圖6 焊縫宏觀金相

已完成“深中通道”約80萬(wàn)m橋面板U肋焊縫的焊接工作，并對(duì)U肋焊縫進(jìn)行了超聲波檢測(cè)。超聲波檢測(cè)如圖7所示。結(jié)果顯示，全熔透焊縫檢測(cè)一次合格率穩(wěn)定在98%左右，絕大部分未焊透焊縫的熔深不低于U肋板厚的75%，免于返修；相比100%全熔透焊縫要求，避免了返修焊對(duì)焊縫性能的不利影響。總體而言，采用PCJP焊接質(zhì)量控制方法，實(shí)現(xiàn)了U肋焊縫的優(yōu)質(zhì)高效焊接。

圖7 超聲波檢測(cè)

5 結(jié)束語(yǔ)

鑒于T形接頭清根全熔透焊接工藝存在一定的弊端，基于工程思維，提出了T形接頭“部分全熔透焊縫”焊接質(zhì)量控制方法，并闡明了其概念、原理及適用范圍。對(duì)于高承載要求的T形接頭焊縫，采用“部分全熔透焊縫”焊接質(zhì)量控制方法，實(shí)施免清根焊接工藝，可實(shí)現(xiàn)焊接結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的高品質(zhì)焊接、高效化生產(chǎn)。