隧道鋼拱架硬釬焊工藝設計研究

覃志明

(廣西宏冠工程咨詢有限公司，廣西 南寧 530029)

0 引言

在我國，無論是高速公路還是高速鐵路的施工，都存在大量的隧道工程。隧道工程中的初期支護類型多種多樣，根據圍巖等級的不同可分為格柵鋼拱架支護、工字鋼鋼拱架支護及H型鋼拱架支護等。無論是哪種鋼拱架，都離不開鋼拱架接頭的焊接。本文以工字鋼鋼拱架為例，對接頭的焊接工藝進行分析。工字鋼鋼拱架是應用最廣，也是效果最好的一種支護結構類型。每一環的支護鋼拱架都是由若干個單元組成，每個單元的連接方式為螺栓連接，但是在螺栓連接之前，要將螺栓的連接板與工字鋼進行焊接，焊接接頭是鋼拱架的質量控制重點與難點，對其焊接成型有嚴格的要求。

1 釬焊技術的發展

釬焊技術的焊接原理就是選用一種熔點低于母材的金屬材料作為釬料，然后將釬料與焊接母材同時加熱到釬料熔點，使得釬料熔化，利用液體的釬料潤濕母材并填充焊接件接頭之間的縫隙，以實現焊接件連接的方法。其具有焊接變形小、對母材損傷小、焊接質量好等特點。

釬焊技術是發展比較早的一種焊接技術，最早可以追溯到鐵器時代。我國最早是在戰國時期開始使用焊接技術的，在秦始皇兵馬俑青銅器中也出現了大量的釬焊物品。雖然釬焊技術出現得比較早，但是其發展比較緩慢，一直到1930年后，在化工技術發展的基礎上，才得到了迅速發展，尤其是在第二次世界大戰以后，由于各種航空、電子、冶金等技術的發展，對焊接技術的要求越來越高，釬焊受到了前所未有的重視，相繼出現了各種各樣的釬焊方法與工藝，應用于工業發展的各個領域[1]。

2 隧道鋼拱架材質焊接性分析

本文主要以隧道工字鋼鋼拱架進行研究分析，工字鋼拱架主要由工字鋼、連接鋼板及角鋼等構件組成，其材質均為Q235普通碳素鋼。

2.1 工字鋼Q235低碳鋼基本分析

Q235普通碳素鋼是最常用的一種鋼材，按照等級區分為Q235A、Q235B、Q235C、Q235D，具體如表1所示。

表1 Q235普通碳素鋼等級區分表

Q235普通碳素鋼化學元素的含量：A、B、C、D碳與硫的含量依次遞減，錳的含量基本相同，A和B的磷含量相同，C的磷含量次之，D的磷含量最少。Q235的機械性能主要有以下指標：密度為7.85 g/cm3，彈性模量為200E/GPa左右，泊松比為0.25 v左右，抗拉強度在380～490 MPa之間。

2.2 Q235普通碳素鋼焊接性分析

隧道鋼拱架的工字鋼、連接鋼板及角鋼均為Q235低碳鋼，通過上文對低碳鋼的分析可知，其含碳量相對較低，所以在兩種低碳鋼母材進行焊接時，不會產生硬化組織或者淬火組織現象，因此焊接后的接頭的力學指標及沖擊韌度相對較好[2]。

3 鋼拱架硬釬焊焊接工藝設計

3.1 焊前準備工作

(1)外觀檢查：首先檢查鋼拱架的工字鋼接頭和連接鋼板及角鋼的整體質量，是否有裂紋、顯著彎曲或凹凸不平的情況，對于有裂紋的材料要進行更換；如果工字鋼或者連接板焊接位置有彎曲或者不平情況，可通過加工校正后焊接。釬焊面必須平整，以保證兩種母材有良好的接觸，才能保證釬焊質量。

(2)焊接面處理：對工字鋼端頭和連接板焊接面進行噴砂處理或者通過綠色碳化硅輪打磨焊接面，以去除焊接面上的氧化層。實踐證明，如不去除母材釬焊面上的氧化層，焊料不易潤濕焊接母材，易發生脫焊。對于氧化層的處理，嚴禁采用化學試劑或電解磨削處理，因為它們都將會對母材造成腐蝕，焊接母材釬焊面的鈷被腐蝕后，釬料就無法對母材潤濕，進而將會產生脫焊現象。在必須使用上述方法時，可將處理后的焊接面再次進行噴砂處理或打磨去除氧化層[3]。

3.2 焊接工藝參數選擇

釬焊溫度是釬焊焊接的工藝參數，也是釬焊質量好壞的一個重要參數。只有控制恰當的釬焊溫度，才能確保焊接的質量。焊接工件在達到釬焊溫度時，釬料熔化后將焊接接縫的空隙進行填塞并對母材進行潤濕，與母材相互作用形成接頭，同時，對于工件的釬焊后熱處理有很大作用，可以提供母材的基體性能。在本文中的工字鋼拱架硬釬焊，選用HL705銅基釬料，由于其熔化溫度在1 080 ℃～1 120 ℃，因此釬焊溫度應比釬料的液相線溫度高40 ℃～70 ℃，控制在1 180 ℃為宜。

保溫時間是釬焊焊接的另外一個重要工藝參數，只有將保溫時間控制合理，才能使得釬料與母材材料相互擴散得更加徹底，相互連接更加牢固。對于本案例中的工字鋼接頭與連接鋼板而言，由于其焊接接觸面積比較小，釬縫間隙也比較小，所以在控制保溫時間的時候要盡量縮短，共進行三次保溫操作，每次保溫時間宜控制在1～1.5 h，并要進行三次保溫操作，以提高接頭的硬度，改善其內部組織及硬度的均勻性以及釋放釬焊處的焊接應力。

3.3 焊接操作技術

本案例中的隧道鋼拱架的釬焊母材為工字鋼、連接鋼板及角鋼，其外形如圖1所示。

圖1 鋼拱架接頭形狀示意圖(mm)

(1)工件固定。將工字鋼、連接鋼板用夾具進行夾緊固定，并定位支撐穩定。接頭釬焊時必須通過夾具預加一定的壓力，使釬焊過程接頭間隙減小。同時，要將釬料放置在工字鋼接頭與連接鋼板焊接位置。

(2)釬焊。釬焊機設備選用的是PMA火焰釬焊機，釬料為銅鋅釬料，保護氣體為氮氣。在釬焊過程中，釬焊的溫度控制在每分鐘提高50 ℃以上，以確保能夠穩定地到達釬料的熔點，同時可以加入適量的助焊劑，使得釬焊的濕潤性和流動性得以提高，確保焊接接頭的質量，減少氣孔的生成。

(3)排渣操作。在釬焊操作過程中，當釬焊溫度達到釬料熔點時，用加壓棒將焊縫內往復移動3～5次，以排除焊縫中的溶渣。

3.4 焊后處理

鋼拱架接頭焊接完成后，要將接頭焊縫周圍的多余焊劑清理干凈，否則多余熔劑會對接頭的焊縫及鋼架基體產生腐蝕。對其清理的方法有兩種：(1)將焊后的接頭用沸水煮40 min左右，對附著焊劑的位置進行噴砂處理，就可以徹底清除刀具上的多余焊劑及其他臟物；(2)將焊后的接頭用鹽酸進行泡洗，鹽酸溶液濃度為1∶1，酸洗約2 min左右，再用冷水和熱水相繼沖洗干凈。

3.5 安全技術與防護

焊接前要對焊接設備的各種管路進行檢查，尤其是氣管的各連接閥、開關是否順暢；助焊劑是否充足；氣罐是否有漏氣現象；點火裝置是否能正常工作；噴槍能否正常工作；各器具的連接部軟管是否漏氣。焊接過程中也會產生大量有毒有害氣體，因此，焊接工人必須佩帶安全防護用品，如防毒面罩、防火手套、防護服及絕緣鞋等。焊接完成后，也要及時對焊接現場進行清理與安全隱患排查。首先要對焊接設備的電源進行斷開，各種氣體的氣閥要及時關閉，以免發生意外傷害；其次要對現場的焊接雜物進行清理，避免造成環境的二次污染；最后是將焊接完成的鋼拱架放置在安全位置，以避免發生意外事故。

4 鋼拱架釬焊焊接質量檢測

4.1 檢測方法分析

在檢驗釬焊接頭的缺陷時，大致可分為三種：外觀檢查、表面缺陷檢驗和內部缺陷檢測。

4.1.1 外觀檢查

外觀檢查主要是通過肉眼或者放大鏡等設備對釬焊焊縫接頭進行觀察，檢查是否存在漏焊、燒傷、氣孔等缺陷。

4.1.2 表面缺陷檢驗

在表面缺陷檢驗法中又包含了熒光檢驗法、著色檢查和磁粉檢驗法等。這些方法是用來檢查外形并檢查通過眼睛發現不了的釬縫表面所具有的缺陷，例如出現看不到的裂紋和氣孔。其中熒光檢驗的方法一般是用在比較小型的工件的檢查當中；相對較大的工件就會采用著色檢驗，一般是對工件的局部是否有缺陷進行檢查；磁粉檢驗法則通常只應用在帶有磁性的金屬的缺陷檢查當中。

4.1.3 內部缺陷檢驗

內部缺陷檢驗的方法主要是無損檢測，常用方法有超聲波檢測、射線檢驗法以及致密性檢驗等。其中超聲波檢與射線檢驗是比較常用的方法，其優點就是可以準確檢測到釬焊焊縫內部是否有氣孔、夾渣、不密實等缺陷，同時可以檢測到母材內部的缺陷，比如母材焊接位置內部有開裂或者孔洞等現象。致密性檢驗在實際焊接中，用到的較少，具體主要包括氣密試驗檢測、水壓試驗檢測、煤油滲漏試驗檢測以及質譜試驗檢測等。氣密性檢測與水密性檢測程序相對復雜，而且要求高，一般用于精密的焊接。氣密性檢測通常用于一些低壓力容器焊接接縫的檢測；水壓試驗檢測通常用于高壓力容器的焊接檢測；煤油滲透檢測用于無壓力要求的焊接接縫；質譜試驗用于真空密封接頭。

4.2 檢測方案

本案例中的鋼拱架硬釬焊焊接檢測采用外觀檢測法與無損檢測法相結合的方案：(1)用放大鏡觀察鋼拱架焊接部位是否有咬邊、燒穿、未焊透及裂紋等缺陷，并檢查焊縫外形尺寸是否符合要求。(2)通過無損檢查方法中的滲透檢驗對焊縫內部缺陷進行檢測。先將工字鋼釬焊接頭清理干凈，在焊縫表面噴涂一層具有滲透性的著色劑；經過一段時間后，著色劑滲透到焊縫內部后，將焊接位置再次清洗干凈，然后在同樣的位置噴涂一層白色的顯示液，待其干燥以后，觀察表面是否會出現紅色痕跡以及痕跡的大小，來判斷焊接位置內部質量缺陷的情況。

5 結語

通過對隧道工字鋼鋼拱架硬釬焊工藝的實驗分析研究，并對其焊接部分檢測，均符合規范要求。隧道鋼拱架的特點就是承受壓力大，現場拼裝精度要求高，因此對其焊接質量的要求也是相對較高的，而硬釬焊焊接變形小、對母材損傷小，對于隧道鋼拱架的焊接是非常適用的。