便攜式免軌細絲埋弧焊接技術研究

任旭暉

(中鐵六局集團 建筑安裝工程有限公司，山西　太原　030003)

·技術經驗·

便攜式免軌細絲埋弧焊接技術研究

任旭暉

(中鐵六局集團 建筑安裝工程有限公司，山西太原030003)

摘要為了解決采用CO2氣體保護焊加工鋼箱梁橋面板加勁肋而導致的焊絲熔敷率較低、焊縫成型不好、焊接飛濺大、焊接煙塵污染嚴重及焊后打磨處理量大等問題，并提高焊接作業效率，優化焊縫成型質量，減小變形矯正量，對綜合埋弧焊和氣體保護焊在應用技術上的優點進行了對比，分析了通過自制曲面反變形胎具，改制設備自動化焊接系統，使用焊劑充當保護焊縫介質來實現板單元件加勁肋的自動焊接，進行了類似結構件加工制作，取得了良好效果。

關鍵詞正交異性板；反變形胎具；便攜式免軌；細絲埋弧焊；板單元件加勁肋

1概述

隨著國內橋梁鋼結構業的蓬勃發展，鋼箱梁結構廣泛應用于鐵路鋼橋、公路立交橋等工程中。鋼箱梁橋面板通常為正交異性板結構形式，此類結構焊接操作難，結構變形矯正量大。由于傳統的焊接方式會產生諸多弊端，為了解決鋼箱梁橋面板加勁肋, 針對采用手工電弧焊或者手工CO2氣體保護焊加工而導致的焊絲熔敷率較低、焊縫成型不好、焊接飛濺大、焊接煙塵污染嚴重，焊材成本較高及焊后打磨處理量大等缺點，并提高焊接作業效率，優化焊縫成型質量，減小變形矯正量，對綜合埋弧焊和氣保焊在應用技術上的優點進行了研究。通過自制曲面反變形胎具，改制設備自動化焊接系統，使用焊劑做為保護焊縫介質來實現板單元件加勁肋的自動焊接，在工程加工制作過程中取得了良好的效果。該技術較適合加工此類結構件，在太興鐵路西北環單孔80 m跨系桿拱橋加工制作過程中取得了良好的效果，現總結施工方法如下：

2工藝特點

通過對手工、設備和工藝的改進，實現細絲埋弧自動焊，克服手工CO2氣體保護焊焊縫成型差、埋弧焊無法實施、焊材成本高的焊接難題，提高了焊縫質量和生產效率。

2.1　CO2氣體保護焊缺點

CO2氣體保護焊由于軌道和電氣系統的局限性，焊縫外觀和內在質量均有諸多問題顯現，且難以規避。比如，焊縫的均勻性、氣孔、夾渣、飛濺以及弧光對人體的傷害等都會不同程度的出現。

2.2　免軌細絲埋弧焊優點

相對于半自動CO2氣體保護焊，免軌細絲埋弧焊通過機電系統自動送絲和爬行，具有焊接速度快、焊絲熔敷率高、無飛濺、無弧光、焊縫成形美觀等優點；同時避免了傳統埋弧焊的軌道連接，自動化程度較高，焊接缺陷少，返修率低，生產效率高。

3工藝的研究及改進

在板單元件制作過程中，通過對CO2氣體保護焊和埋弧自動焊設備的綜合改進，施焊中修改焊接電流、電壓、速度，并采用與之相匹配的焊絲、焊劑，實現了細絲埋弧自動焊，克服了CO2氣體保護焊不易操作、焊縫成型差、工作效率低，埋弧焊受作業條件限制的焊接難題，便于人工移動，消除了對焊接軌道的依賴，提高了焊縫質量和生產效率。

4施工工藝流程及操作要點

以太興鐵路80 m系桿拱橋面板單元件加工制作為例，對細絲埋弧焊接技術應用進行介紹(針對兩種焊接方法做對比試驗：實芯焊絲CO2氣體保護自動焊和便攜式免軌細絲埋弧焊)：

4.1　工藝流程

專用反變形胎架選備→配置細絲埋弧焊自動化系統→焊前準備→焊接作業及過程控制→試驗對比分析→焊后矯平。

4.2　操作要點

4.2.1專用反變形胎具選備

1) 鋼箱梁面底板U肋焊接產生的4種變形：縱向收縮變形、橫向收縮變形、面外縱向彎曲變形及角變形(見圖 1).

圖1　鋼箱梁面底板U肋焊接產生的4種變形示意圖

2) 4種變形產生的原因：

a) 焊接時，U型肋角焊縫和周圍熱影響區的鋼材在凝固和冷卻過程中會發生收縮，導致板單元的縱向和橫向收縮變形以及縱向面外彎曲變形。

b) 由于是在面板的單側施焊，沿面板的厚度方向存在溫度梯度，所以面板有 U 型肋角焊縫的一面比另一面發生了更大的收縮，在焊縫處形成了角變形。

c) 實際情況中，板單元的整體變形是由4種基本形式組合的復雜變形。

3) 面底板U肋焊接完變形的校正：

面底板U肋焊接完后，一旦產生變形一般采用火焰加熱的方法加以矯正。采用火焰加熱的方法矯正焊接變形的同時存在以下幾個方面的問題：

a) 由于面底板U肋焊接完后產生的變形較大，采用火焰校正工作量大，火焰校正變形不容易控制。

b) 火焰校正的溫度如果控制不好，會損害鋼板的力學性能。

c) 火焰校正時需要的人工較多，同時會造成氣體的浪費。

4) 利用反變形胎架來降低鋼箱梁面底板U肋焊接的變形率。面底板U肋角焊縫采用便攜式免軌細絲埋弧焊接時產生的線能量不大，且焊接運行均勻，所產生的焊接應力分布有規律。經過對一個聯長的面底板U肋施焊試驗，確定其焊后變形趨勢及量值，針對這些變形方向和量值設計反變形焊接胎架，給單元件在焊接前施加反方向等變形量值的預變形，使焊后變形量正好與其反變形量相抵消。經過對一個聯長的焊接驗證：單元件焊接后的變形得到有效的控制。

為了使面板單元件U形肋焊接熔深及成形更好，將反變形焊接胎架傾斜一定角度，使焊接質量大大提高，即將焊接胎架做成左右可轉動，剛度較大的胎架，并由液壓系統提供原始動力，使面板U形肋焊接質量得到保證(見圖2).

圖2　反變形焊接胎架示意圖

4.2.2配置細絲埋弧焊自動化系統

常規的埋弧自動焊焊機一般由焊接電源、埋弧焊小車及小車行走軌道組成。板單元件的焊接在液壓反變形旋轉胎架上進行，為提高焊接時的焊絲熔敷效率，選用焊絲d1.6 mm細絲進行埋弧自動焊，電流為250～350 A.采用額定電流為500 A的二氧化碳焊機，滿足了細絲埋弧焊對焊接電流的要求，并將氣體保護嘴更換為d1.6 mm的導電嘴，將二氧化碳保護氣體更換為埋弧焊劑進行焊接保護。對設備進行改進，改變焊絲直徑和電弧保護介質，焊接電弧控制原理沒有改變。

4.2.3焊前準備

該工程鋼材材質為Q345qD，根據焊材須與母材匹配以確保力學性能的原則，經過多次試驗反復對比，埋弧焊采用H10Mn2焊絲+SJ101焊劑的組合，細絲埋弧焊的焊絲規格d1.6 mm；實芯焊絲ER50-6，規格為d1.2 mm.

焊縫清理：焊接前需對接口的鈍邊、坡口進行銑制，控制好對接間隙，采用砂輪機對焊縫及其周邊100 mm以內的鐵銹、油污、夾渣、夾碳等進行清理。

4.2.4焊接作業及過程控制

埋弧焊接時焊接電流250～350 A，焊接電壓為28～30 V，焊接速度為22 m/h；在焊縫兩端加引入和引出弧板，以保證焊縫的端部質量。焊縫表面應平整，焊縫與母材應圓滑過渡，焊縫及其熱影響區表面不允許有咬邊、裂紋、氣孔、夾渣、弧坑等缺陷。

4.2.5試驗對比分析

1) 數據分析。

母材的化學成分和力學性能見表1,表2，實芯焊絲CO2氣體保護焊選用ER50-6，焊絲d1.2 mm，符合GB/T 8110-2008《氣體保護電弧焊用低合金鋼焊絲》的要求。新型細絲埋弧焊選用H08Mn2焊絲+SJ101焊劑，焊絲d1.6 mm，符合GB/T 12470-2003《埋弧焊用低合金鋼焊絲和焊劑》的要求。焊接材料的化學成分和力學性能見表3，表4.實芯焊絲CO2氣體保護自動焊和新型細絲埋弧自動焊對比試驗除焊接方法、焊接材料及規格、電弧保護介質不同外，其余條件均一致。

表1　鋼材的化學成分表

表2　鋼材的力學性能表

表3焊接材料化學成分表

名稱牌號批號CSiMnPSNi數據來源焊絲H10Mn2(d1.6)ER50-6(d1.2)—B04019—710512≤0.12≤0.071.5~1.9≤0.035≤0.035≤0.03標準0.080.0241.710.0130.006—質保書0.080.051.570.0140.01—復驗0.06~0.150.80~1.151.40~1.85≤0.025≤0.025—標準0.080.931.400.0180.015—質保書0.080.831.460.0110.009—復驗焊劑SJ101—B1037———≤0.08≤0.06—標準———0.0340.031—質保書———0.0170.01—復驗

2) 結果分析。

a) 生產效率：實芯焊絲CO2氣體保護自動焊接時，由于焊接飛濺的存在，容易使保護氣噴嘴堵塞，清理噴嘴會占用一定的時間，使實芯焊絲CO2氣體保護自動焊生產效率更加低下。新型細絲埋弧自動焊不存在清理導電嘴，相比之下，生產效率更高。

b) 焊接質量：兩種焊接方法的焊接熔池保護均為渣氣聯合保護。實芯焊絲CO2氣體保護自動焊保護熔池主要是CO2氣體，焊接過程中會產生少部分熔渣；新型細絲埋弧自動焊與其相反，保護焊接熔池主要是焊接熔渣，焊接過程中會產生少部分氣體。

表4　焊接材料力學性能表

c) 新型細絲埋弧自動焊接完成后，去除焊縫表面的焊劑和熔渣，焊縫外觀成型良好。實芯焊絲CO2氣體保護自動焊的熔滴過渡形式為短路過渡。短路過渡過程為：當熔滴與焊接熔池接觸時，電弧熄滅，電弧電壓急劇下降，接近于零，而短路電流上升，在焊絲與熔池之間形成液體金屬柱，它在不斷增加的短路電流所形成的電磁收縮力和表面張力的作用下，強烈地收縮液柱而形成“縮頸”。“縮頸”在持續電流作用下，過熱氣化而迅速爆斷，形成飛濺，保護氣嘴易被堵塞。因此，長焊縫的焊接會出現多個焊接接頭，增加了焊縫修磨的工作量。可見，使用新型細絲埋弧自動焊焊縫的外觀質量高于實芯焊絲CO2氣體保護自動焊。

d) 新型細絲埋弧自動焊的焊接電流較大，電弧對熔池的攪拌作用增強，焊接冶金產生的氣體更容易從熔池中逸出，降低焊縫內部出現氣孔的可能性。有時會在焊縫出現壓坑，這是因為細小的焊劑或者焊劑粉塵填充了焊劑的間隙，阻礙了氣體的有效逸出，使氣體在焊接熔渣下方焊縫金屬上方驟集，形成焊縫表面壓坑。只要及時去除焊劑中的粉塵和細小的焊劑，保證焊劑的顆粒度，就能使焊接過程中產生的少量氣體順利逸出，避免焊縫表面出現壓坑。

綜上所述，新型細絲埋弧自動焊優于實芯焊絲CO2氣體保護自動焊。

4.2.6焊后矯平

焊接完成后，在板單元縱肋的背面劃線進行火焰矯正處理。 采用熱矯時，熱矯溫度應控制在600～800 ℃，嚴禁過燒。矯正后溫度應緩慢冷卻，降至室溫以前，不得錘擊零件鋼材或用水急冷。

5材料機具設備及質量控制

5.1　材料機具設備

主要用材料：母材、實芯焊絲、埋弧焊劑、埋弧焊絲、氧氣和丙烷等。

主要用設備：烤槍、測溫儀、CO2氣體保護焊機、智能行走小車、打磨機、烘干箱等。

5.2　質量控制

1) 為提高低溫環境下焊接焊縫的沖擊值，改善焊縫金屬的性能，應選擇Ni含量相對高的焊材與母材匹配。

2) 為消除水分，避免焊縫中氫氣孔、氫裂缺陷的產生，焊劑必須經過烘干處理，烘干溫度350 ℃左右，保溫2 h.

3) 焊前必須按規范對母材焊縫及其周邊100 mm以內的鐵銹、油污、夾渣、夾碳等進行清理。

4) 焊接作業時，必須對焊接參數進行嚴密卡控，嚴格按照工藝文件執行。

5) 焊工必須持證上崗，經焊接培訓、試用合格后方可進行焊接作業。

6) 其他按焊接作業標準進行操作。

6改進后效果

該施工技術解決了大型橋梁結構正交異性板單元的焊接難題，避免了操作不便、焊縫質量差和焊接效率低的問題，該工法可操作性強，工藝相對簡單，成本投入小，具有較好的社會經濟效益。

用此方法自動焊接，保證了焊縫的內在質量和外觀質量，加快了焊接速度，降低了勞動強度，生產效率提高了30%以上，減少了正交異性板單元件加工所需的人工費、材料費，節約焊接綜合成本近10%.同時無弧光輻射和焊接煙氣的污染，改善了焊接作業環境，減少了對作業人員的危害。

7結論

太興鐵路跨西北環80 m系桿拱橋加工制作工程中的橋面板單元件采用便攜式免軌細絲埋弧焊接方法后，有效地保證了板單元件的加工質量和工作效率，對最終保質保量完成該項工程起到至關重要的作用，得到了甲方及監理單位的好評，對以后類似工程項目的施工生產具有參考價值。

參考文獻

[1]中冶集團建筑研究總院.JGJ 81-2002 建筑鋼結構焊接技術規程[S].北京：中國建筑工業出版社，2002:131-158.

[2]冶金工業部建筑研究總院.GB 50205-2001 結構工程施工質量驗收規范[S].北京：中國計劃出版社，2002:92-116.

Research on Portable Free Rail Filaments Submerged Arc Welding Technology

REN Xuhui

AbstractIn order to solve the problems because of using CO2gas shielded welding processing causes which welding wire deposition rate of steel box girder deck stiffening rib is lower, the weld forming is not good, welding spatter is large, welding smoke and dust pollution is serious, after welding polishing handling capacity is large and other, and improves the welding efficiency, optimizes the weld forming quality, reduces deformation correction amount. The advantages of comprehensive submerged arc welding and gas shielded welding in the application technology are compared. Through the self-made curved surface anti deformation mould, remanufactured equipment automatic welding system, used flux serve as protecting welding line medium for achieving automatic welding of the plate element stiffening rib are analyzed. The similar structure processing and making are carried out. The good results are achieved.

Key wordsOrthotropic deck; Anti deformation model; Portable free rail; Filaments submerged arc welding; Plate element stiffening rib

中圖分類號：TD406

文獻標識碼：B

文章編號：1672-0652(2015)12-0047-05

作者簡介：任旭暉(1979—)，男，吉林農安人，2006年畢業于長春工程學院，工程師，主要從事鋼結構橋梁建筑施工管理工作(E-mail)190892674@qq.com

收稿日期：2015-10-20