歐標大直徑圓鋼對接全熔透焊接工藝及其應用

孫海港，孫 恒，鄧鵬明

（精工鋼結構（上海）有限公司，上海201199）

歐標大直徑圓鋼對接全熔透焊接工藝及其應用

孫海港，孫 恒，鄧鵬明

（精工鋼結構（上海）有限公司，上海201199）

港珠澳大橋香港口岸旅檢大樓項目鋼結構工程采用材質為EN 10025-3 S355NL、直徑φ110 mm的大直徑圓鋼。壓力電阻焊、搭接焊和螺紋套筒均無法滿足工程構件接長要求。研究歐標細晶粒結構鋼大直徑圓鋼全熔透焊接工藝，包括焊接工藝評定、原材料、焊接材料、坡口、焊接工藝參數、焊接順序、檢測等。實踐證明，制定的工藝規程滿足歐標細晶粒結構鋼大直徑圓鋼在建筑鋼結構項目上的應用，達到預期效果。

細晶粒結構鋼；EN標準；超低溫沖擊功；圓鋼；焊接工藝

0 前言

港珠澳大橋香港口岸旅檢大樓項目鋼結構工程，幕墻結構有44榀20 m長的雙桁架，采用直徑φ110 mm的大直徑圓鋼，圓鋼材質等級355NL，執行標準EN 10025-3，屈服強度355MPa，沖擊功27 J（-50℃）。

幕墻桁架長20 m，需要接長以滿足工程要求。采用壓力電阻焊、搭接焊和加螺紋套筒均無法滿足圓鋼接長要求，故對圓鋼全熔透焊接進行研究，以滿足工程要求。

1 焊接工藝

1.1 圓鋼理化性能

圓鋼所用材質為S355NL，屬于細晶粒結構鋼，其化學成分和力學性能分別如表1、表2所示。

表1 圓鋼化學成分%

表2 圓鋼力學性能

碳當量越高，淬應和冷裂紋傾向越大，焊接性就越差。當碳當量為0.4%～0.5%，焊接性稍差，焊接時要采取適當的預熱措施[2]。P，S雜質的含量很低，不易產生熱裂紋。焊接時的主要問題是確保沒有冷裂紋及焊接接頭的低溫韌性。因此，焊接時必須控制熱輸入。

1.2 焊材的選擇

焊材選擇是為了匹配沖擊功的要求。結合國內焊材廠家的實際情況，采用直徑φ1.2 mm實心焊絲，型號ISO 14341-A-G 46 5 M21 3Ni1，牌號CHW-55C1，保護氣體為φ（Ar）80%+φ（CO2）20%。圓鋼焊材匹配如表3所示。

表3 圓鋼焊材匹配

焊材化學成分如表4所示，力學性能如表5所示。

表4 焊材化學成分%

表5 焊材力學性能

1.3 坡口形式及試件制備

常規厚板焊接時，為了減少焊接變形，會開1/3和2/3的不等厚度坡口，使坡口兩側的焊縫熱輸入一致。圓鋼按照此形式開坡口時，焊接變形大。通過試驗驗證，圓鋼坡口深度偏移中心線8 mm時，焊接角變形最小。坡口形式如圖1所示。

圖1 坡口加工示意

采用5排試件同時焊接，減少焊縫區域的快速冷卻。試件組裝示意如圖2所示。

圖2 試件組裝示意

2 焊接工藝參數（pWPS）

2.1 圓鋼對接焊接工藝參數

圓鋼對接焊接工藝參數見表6。焊前預熱至100℃，層間溫度小于等于250℃，焊后用保溫棉保溫焊縫。

表6 圓鋼對接焊接工藝參數

2.2 圓鋼對接焊接順序

圓鋼對接焊接順序如圖3所示。

圖3 圓鋼對接焊道順序示意

采用多道焊和窄焊道，小幅度擺動電弧，擺寬不超過20mm，控制焊接熱輸入，減小焊接應力和變形。

3 檢測方案和檢測結果

3.1 檢測方案

根據BS EN ISO 15614規定，全熔透對接工藝評定的焊縫需要進行拉伸、彎曲、沖擊、硬度和宏觀腐蝕等破壞性試驗[3]。標準中沒有規定非常規圓鋼的取樣位置，并且由于直徑較小，取樣位置受限，經過多方溝通，分別從7個全熔透焊接對接接頭中取得破壞性試件，如圖4所示。

圖4 試件試驗取樣示意

3.2 檢測結果

檢測結果見表7，彎曲、拉伸檢測后試樣圖示見圖5。焊縫區由綜合力學性能較好的鐵素體和珠光體組成，組織呈枝晶分布，晶粒細小均勻；母材由綜合力學性能較好的鐵素體和珠光體組成，組織成帶狀分布，比焊縫區晶粒較大；熱影響區由綜合力學性能較好的鐵素體和珠光體組成，組織呈帶狀分布，晶粒比母材細小。金相顯微組織如圖6所示。

表7 圓鋼試件檢測結果

圖5 彎曲、拉伸檢測后試樣圖示

圖6 金相顯微組織照片

4 研究結果與應用

根據焊接評定試驗，編制了焊接工藝規程，應用于港珠澳大橋工程中。

（1）在實際生產時，坡口深度為

式中H為坡口深度；D為圓鋼直徑；F為鈍邊。

（2）焊接過程平均每四道翻身一次，對稱焊接。

5 結論

（1）根據研究結果，編制基于EN標準的細晶粒結構鋼焊接工藝規程，滿足大直徑圓鋼對接全熔透焊接要求。（2）編制了大直徑圓鋼對接焊接全熔透焊接檢測方案。（3）在港珠澳大橋項目中的成功應用可為今后類似工程提供參考。

[1]周振豐，張文鉞.焊接冶金與金屬焊接性[M].北京：機械工業出版社，1987.

[2]劉子祥，戴為志.國家體育場“鳥巢”鋼結構工程施工技術[M].北京：化學工業出版社，2011.

[3]CEN.BS EN ISO 15614：2004+A2：2012 Specification and qualification of welding procedures for metallic materials -Welding procedure test-Part 1：Arc and gas welding of steels and arc welding of nickel and nickel alloys[S].UK，2012.

Research and application of full penetration butt welding process on European-standard large-diameter round bar

SUN Haigang，SUN Heng，DENG Pengming
（Jinggong Steel International Co.，Ltd.，Shanghai 201199，China）

The round bar with outside diameter 110 mm and metal grade S355NL of EN 10025-3 is applied in structural steelwork of Hong Kong-Zhu Hai-Macao Bridge Boundary Crossing Facilities Passenger Clearance Building project.The methods of resistance welding，lap welding and threaded sleeve can't meet the requirement for connection extension.In this paper，the research of full penetration butt welding process on fine grained structural steel of European-standard large-diameter round bar is introduced，including welding procedure qualification，parent metal，welding consumables，groove，welding parameter，welding sequence and arrangement of runs and testing.Based on the qualified welding procedure specification，appropriate work instructions are prepared for this project.The results show that application of fine grained structural steel of European-standard large-diameter round bar in steel building structure has been solved and achieved the desired effect.

fine grained structural steel；EN standard；cryogenic impact energy；round bar；welding process

TG44

B

1001－2303（2017）04－00

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.04.

獻

郭吉昌，朱志明，閆國瑞，等.基于UG的弧焊機器人離線編程系統開發[J].電焊機，2017，47（03）：1-6.

2017-02-10；

：2017-03-06

孫海港（1987—），男，河南開封人，工程師，學士，主要從事鋼結構焊接工藝的研究工作。