钢桥U肋焊接新工艺金属芯药芯焊丝CO2气体保护焊.docx

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钢桥U肋焊接新工艺金属芯药芯焊丝CO2气体保护焊

钢桥U肋焊接新工艺——金属芯药芯焊丝CO2气体保护焊

生产应用俘掳

钢桥U肋焊接新工艺——金属芯

药芯焊丝CO2气体保护焊

武船重型工程有限公司（武汉市430415）张华舒先庆李立明武峰叶君龙

摘要针对目前钢桥U肋焊接中存在的共性技术问题进行了研究.采用宏观断面分析,冷裂敏感性对比试

验,金相组织分析等手段,研究了金属芯药芯焊丝CO气体保护焊工艺在U肋焊接中的适应性,分析了各种工艺条

件对U肋焊缝熔透率及焊缝成形的影响,优化了焊接坡口尺寸和工艺参数.研究结果表明:

对于钢桥板厚为8mm

的U肋角焊缝,采用金属芯药芯焊丝CO气体保护焊,焊丝直径为1.6mm,可一道焊接成形,焊缝熔透率大于

80%,外观成形和内部质量良好,可大幅提高焊接工效,降低生产成本,从焊接新工艺途径上得到了突破.

关键词:

钢桥U肋金属芯药芯焊丝工艺参数焊缝熔透率焊缝成形

中图分类号:

TG444

0前言

中国的焊接钢桥正在蓬勃发展,跨江河,跨海大桥

不断建成.钢桥为设计使用寿命百年以上的公共建

筑,且属典型的受动载载荷结构,对焊接接头质量的要

求非常严格¨J.u肋焊接是整个钢桥生产制造中的重

要组成部分,u肋与面,底板问角焊缝要求有较高的抗

疲劳性能,是钢桥焊接中的重点与难点.近年来,国内

有多座钢桥在运营期间受车轮载荷作用,U肋与面板

问角焊缝出现了开裂问题,给钢桥的设计与制造者带

来了警示和思考.

目前,钢桥U肋焊接均采用熔渣型药芯焊丝CO,

气体保护焊或实心焊丝CO:

气体保护焊,但鉴于u肋

焊缝的接头形式和技术要求的特殊性,在焊接质量,工

效与成本上未能达到较好的综合效益;尤其对于板厚

为8mm的U肋,采用熔渣型药芯焊丝焊接,若单道焊

接,焊缝金属填充量不足,焊缝外观成形不良,若两道

焊接,则焊接生产效率过低.中铁山桥公司对钢桥

U肋加劲焊接技术进行了总结,但仅基于现有技术介

绍了U肋焊接的工艺要求,并没有突破U肋焊接中的

共性技术问题.

金属芯药芯焊丝是近年来国际上发展的新趋势,

相对于熔渣型药芯焊丝,它的药芯大部分是金属粉,只

有少量的稳弧剂和造渣剂,具备高熔敷速度,低飞溅

率,焊接工艺性好的特点,而且氢含量可以较易地限制

收稿日期:

2010—03—17

在较低的水平,使焊缝抗裂性能得到提高,同时可减少

焊接气孔倾向.将金属芯药芯焊丝用于U肋焊缝的

焊接,利用其良好的工艺性能和更高的熔敷速度优势,

旨在解决目前行业中钢桥u肋焊接存在的共性技术问

题,特别是对于板厚为8mm的U肋角焊缝,可一道焊

接成形.因而改善了焊缝外观成形和内部质量,大幅

提高焊接工效,降低生产成本.

1U肋角焊缝设计要求及工艺特点

1.1设计要求

钢桥中的U肋板厚多为8mm,少数为6mm或l0

mm,图1为U肋加劲结构截面示意图.

A放大

图1U肋加劲结构截面示意图

U肋焊缝设计要求主要有:

①焊缝外观应满足规

定要求,不得有裂纹,未熔合,未焊满,咬边等缺陷;②

焊缝熔深不小于u肋厚度的80%;③u肋焊缝背面不

允许有焊漏.

1.2工艺特点

目前,由于应用了微合金强化作用原理,钢中碳含

2010年第10期5l

俘掳生产应用

量和碳当量及夹杂物的降低,焊接热影响区的脆化作

用已显着降低.而实践表明,为保证焊缝强度要求所

选用的焊接材料,焊缝的实际强度往往会大大超过设

计要求,成为"超强匹配".对于钢桥U肋角焊缝,

焊缝金属冷却速度较快,硬化作用比较明显,焊缝的塑

性和韧性常常逊于母材,因此焊缝金属产生裂纹的几率

增大,特别是u肋焊缝中的横向冷裂纹问题不可忽视.

由于u肋焊缝为背面无衬垫单面焊接成形,焊缝

熔深允许范围很窄,受u肋坡口精度,装配间隙,工件

倾角,送丝位置和角度,焊接参数等因素的影响,同时

保证良好的焊缝外观成形和设计熔深要求,又要避免

焊缝焊漏,工艺要求非常严格,是钢桥焊接中的难点.

2试验条件及方法

母材材质为Q345D,U肋试板规格为8mm×120i/l/fl

x400mm;面（底）板试板规格为14mm×150mmX

500mm;金属芯药芯焊丝牌号为SQJ50MX,代号为xl,

直径为1.6mm;熔渣型药芯焊丝代号为X2,直径为

1.6mm.表1为金属芯药芯焊丝xl熔敷金属化学成

分与力学性能.

表1SQJ50M×金属芯药芯焊丝熔敷金属化学成分与力学性能

影响U肋焊缝外观成形和熔深的工艺因素较多,

且各因素间存在互相作用的关系,显然无法对所有因

素进行一一组合试验.采用的试验方案是:

充分利用

已积累的焊接经验,第一步选择认为较为适中的工件

倾角,焊丝角度,焊接参数（焊接电流,电弧电压,焊接

速度）,进行各种焊接坡口尺寸的对比试验;第二步,确

定较佳的焊接坡口尺寸后,对送丝位置,装配间隙,焊

接参数,工件倾角等因素进行对比试验,确定其较佳

值,最终得到优化的焊接坡口尺寸和工艺参数.

3试验结果与分析

3.1焊接坡口尺寸的选择

焊接坡口尺寸直接影响焊缝外观成形与熔深,选

定面（底）板与水平倾角为30.,焊丝与面（底）板夹角

为45.,送丝位置离坡口根部1～2mm左右,焊接电流

=320～340A,电弧电压U=25—27V,焊速与焊缝

厚度相适应,焊丝伸出长度为14～16mm,气体流量为

18～20L/rain,U肋试板均贴紧面（底）板,以u肋试板

的坡口角度和钝边尺寸P为变量.图2为U肋焊接

试验试板装配图,图3显示为各类U肋坡口尺寸对焊

缝熔透率的影响.

从图3中可以看出,对于板厚为8mm的u肋,采

用金属芯药芯焊丝CO气体保护焊,坡口的钝边尺寸

对焊缝熔深的影响皿着,当钝边尺寸增加时,焊缝熔透

率随之降低;焊接赶口角度对焊缝熔透率亦有较大的

522010年第10期

影响,当坡口角度增加时,焊缝熔透率随之增大.这是

因为,在其它焊接参数相同的条件下,当坡口角度一定

时,焊接电弧的穿透力是一致的,那么钝边尺寸越大,

未熔透深度显然越大;而当钝边尺寸一定时,坡口角度

增大时,因电弧穿透力的增加及坡口根部传热速度的

减小,从而造成焊缝熔深的增大.当坡口角度为52.或

56.,钝边尺寸为0或0.5mm时,焊缝熔深达到了u肋

板厚80%以上的设计要求.

U肋

图2U肋焊接试验试板装配图

试验中发现,坡口角度增大时,而钝边尺寸又不足

时,焊缝易发生焊漏现象;当坡口角度达到60.时,钝边

需大于1mm,焊缝不至于焊漏,但焊接中对焊接电弧

的位置要求很高,稍偏面（底）板或u肋均会影响焊缝

外观,偏于面（底）板侧,熔宽不足以完全熔化u肋坡口

面,偏于u肋侧,则会在u肋侧产生咬边缺陷.

在满足焊缝熔深的条件下,坡口角度较小时,焊缝

金属填充量较小,相应焊接速度可适当增加,同时可更

有效地避免咬边缺陷的产生.

综上所述,综合焊接质量,焊接效率与成本,对于

8mm厚U肋焊接,优选焊接坡口尺寸均为:

坡口角度

为52.,钝边尺寸为0～0.5mm.

92

—84

嚣76

连68

60

钝边尺寸plnun

图3坡口尺寸对焊缝熔透率的影响

2.0

3.2焊接参数的选择

选定U肋坡口尺寸后,进行了焊接参数的选择和

优化,试验不同焊接规范,坡口间隙,焊丝指向位置等

参数对焊缝熔深及外观成形的影响.U肋焊缝熔深随

焊接电流,坡口间隙的增加而增加,随焊丝指向离坡口

根部距离的增大而减少,即便对于合适的焊接坡口尺

寸,要使u肋焊缝熔透深度达到设计要求,又不至于焊

漏,各参数之间需要合理匹配.

在试验中发现,当焊接电流过小时,焊缝熔透率不

足,过大时,焊缝焊漏,焊缝未填满;当电弧电压过小,

焊缝外观易成凸形,过大时,焊缝在U肋侧易出现咬边

缺陷;而当焊接速度过快时,焊缝外观呈凸状成形,经

优化后焊接参数为:

:

330～340A,U=25～27V,=

250～270mm/min.

在试验中发现,对于有一定坡口间隙的U肋角焊

缝,焊缝熔深存在着"非连续过渡区"现象,即通过连续

调节焊丝指向离坡口根部距离c值,焊缝或焊漏,或熔

深小于一定值.当坡口间隙超过0.8mm时,若要使焊

缝熔深大于U肋板厚的80%且不焊漏,C值的选择范

围已很小,焊接工艺裕度已很低.坡口间隙与焊丝指

向位置需合理匹配,在合适的焊接规范下,对于无间隙

坡口,当1mm≤c≤2.5mm时,焊缝熔深和外观成形可

达到设计要求,当c>2.5mm时,焊缝熔深则不足;对

于0.8mm间隙的坡口,当C达到3.0mm左右时,焊缝

不至于焊漏,而当C更大时,则会出现焊缝熔深不足,外

形焊偏的问题.

生产应用t缛掳

此外,当面（底）板与水平面倾角过小时,U肋焊缝

易咬边,反之,焊缝熔深略有下降,30.左右为较宜;当

焊丝与面（底）板夹角过小时,U肋焊缝背面易焊漏,反

之,焊缝熔深减少,45.左右为较宜.焊丝在移动方向

上为垂直或略为前倾均可.

应该注意的是,当焊丝与面（底）板夹角过大,焊丝

指向离坡口根部距离过大以及焊接速度较慢时,易在

u肋焊缝根部形成尺寸较大的"夹渣",将大幅降低焊

缝的熔透率.

通过试验发现,焊缝焊漏缺陷易引起焊接热裂纹,

分析认为,焊缝焊漏改变了成形系数,加剧了低熔点杂

质在柱状晶汇合处的偏析.因此焊缝焊漏不仅仅只是

形状缺陷,还可能会引起焊缝内部的熔合性缺陷问题.

图4为U肋焊接接头宏观断面.图5为U肋焊缝

外观成形.

罔4U肋焊接接头宏观断面

图5U肋焊缝外观成形

3.3工艺对比分析

对于药芯焊丝的选用,不能不关注氢的影响,焊缝

硬化作用及其在拘束条件下引起焊接冷裂的问题,因

此重点考察金属芯药芯焊丝xl焊缝金属的冷裂敏感

性,进行了直Y形坡口拘束试验和G—BOP试验,分别

考察其纵向与横向冷裂敏感性,与之对比的是熔渣型

药芯焊丝）（2,试验条件与工艺参数相同.在直Y形坡

口拘束试验中,焊丝）（2焊缝表面有通长纵向裂纹.而

2010年第10期53

俘掳生产应用

焊丝x1无表面裂纹,图6为G—BOP横向裂纹试验结

果.

（a）横向裂纹宏貌（焊丝X1）

（b）横向裂纹宏貌（焊丝X2）

图6G—BOP横向裂纹试验结果

对图6中两者的横向裂纹宏貌进行测算,x1焊丝

焊缝面积裂纹率Scr为35.5%,X2焊丝焊缝面积裂纹

率Scr为78.4%,其中Scr=（裂纹面焊缝横截面面

积）.试验表明,金属芯药芯焊丝x1焊缝冷裂敏感性

显着低于熔渣型药芯焊丝X2,这为其在产品焊接中的

应用提供了有利的条件.

借助横向冷裂试验,对比两者在试块表面以上部

分焊缝金属的截面面积,可以得出,在试验中的同一焊

接规范条件下（焊接电流280A,电弧电压28V,焊接速

度350mm/min）,金属芯药芯焊丝熔敷速度比熔渣型

药芯焊丝熔敷速度约高25%.

图7为采用2种不同工艺U肋焊缝金属的显微组

织,分别为金属芯药芯焊丝CO气体保护焊（焊丝X1）

和熔渣型药芯焊丝CO:

气体保护焊（焊丝X2）.

比较xl与）（2焊缝金属金相组织.X1接头焊缝区

晶界先析铁素体含量较少,且晶内针状铁素体细小密

集,数量较多.增加晶内针状铁素体含量对提高焊缝

韧性有益,也就是说,金属芯药芯焊丝X1的U肋焊缝

韧性高于熔渣型药芯焊丝x2.

542010年第10期

图8为采用2种不同工艺的U肋接头宏观断面,u

肋板厚为8mm,均一道焊接成形,分别为金属芯药芯

（b）焊丝X2

图7U肋焊缝金属显微组织

（a）焊丝Xl

图8U肋焊接接头宏观断面对比

生产应用r蜉掳

钛合金T形接头电子束焊接残余应力数值模拟

北京宇航系统工程研究所（100076）袁双喜

首都航天机械公司（北京市100076）史进朝郝文龙

哈尔滨_v-,_lk大学现代焊接生产技术国家重点实验室（150001）何景山

摘要建立了钛合金T型接头电子束焊接温度场和应力场的数值计算模型,利用大型有限元软件MSC.Marc

对焊接过程进行了数值模拟.模拟过程采用高斯面热源和椭球体热源叠加的组合型热源模型.对所得模拟结果,

分别分析了三向残余应力在不同方向上的分布曲线,分析认为,纵向应力表现出较大的数值,最大值可达750MPa.

通过X射线衍射的方法测量了焊接试件的横向残余应力,并与数值模拟结果进行对比,结果显示二者符合良好.

关键词:

数值模拟钛合金电子束焊残余应力

中图分类号:

TG456.3

0前言

钛合金是航空航天领域中很有发展前景的材料,

近年来,其使用比例逐年增加.电子束焊由于在真空

条件下进行,焊缝金属化学成分纯净,并且接头热影响

区小以及焊接变形小,是钛合金焊接的优选方法.

电子束焊属于局部短时高温加热,焊缝窄而深,在焊接

过程中会产生相当大的焊接应力,并在焊后残留在工

件中形成残余应力,对焊接构件的安全使用具有重要

收稿日期:

2009—09—07

影响.目前,国内外对电子束焊接构件残余应力的研

究已经取得了一定的进展-5].文中将对电子束焊接

中常见的T形接头残余应力的分布特点进行分析.

1有限元计算模型

文中采用的试验材料为钛合金,其中筋板为铸造

钛合金ZT4,尺寸为100mm×10mm×9mm;盖板材料

为锻造钛合金TC4（Ti一6A1—4V）,尺寸为100mm×

100mm×1.5mm.采用大型有限元分析软件MSC.

Marc对钛合金T形接头电子束焊接过程进行有限元数

值模拟,模拟过程中利用MSC.Marc自带的前处理程序

焊丝CO:

气体保护焊（焊丝X1）,熔渣型药芯焊丝CO

气体保护焊（焊丝X2）.

从图8中看出,采用熔渣型药芯焊丝X2,熔宽较

宽,焊缝金属填充量不足,有咬边缺陷,焊接熔池底部

轮廓呈"锅形",焊缝熔深也不足;而采用金属芯药芯焊

丝x1,因其具有更高的熔敷速度,焊缝成形比较饱满,

避免了咬边缺陷,且焊接熔池底部轮廓呈"杯底状",焊

缝熔深满足设计要求.

4结论

（1）金属芯药芯焊丝具有更高的熔敷速度,良好的

工艺性能和抗裂性能,适合于钢桥u肋角焊缝的焊接.

对于板厚为8mm的u肋,其焊缝可一道焊接成形,各

项指标均达到设计要求,大幅提高了焊接生产效率.

（2）对板厚为8mm的U肋的焊接,优化的坡口尺

寸为:

坡口角度为52.,钝边尺寸为0～0.5mm,焊接参

数为:

=330～340A,U=25—27V,=250～270

mm/mino

（3）对于保证U肋角焊缝良好的成形质量,坡口

间隙的控制至关重要,当坡口间隙超过0.8mm时,焊

接工艺裕度已很低.

参考文献

[1]张华,舒先庆,黄新明.钢桥焊接中_[艺参数与焊缝金

属填充量的关系[J].焊接,2007（8）:

50—52.

[2]朱庆菊.钢箱梁斜拉桥U形加劲肋焊接[J].金属加]:

（热

加_丁）.2008（10）:

42—45.

[3】李建海,陈邦固.新型金属芯药芯焊丝的开发和应用[J].

焊接技术.2000（6）:

47—50.

[4]陈伯蠡.焊接工程缺欠分析与对策[M].北京:

机械1一业

版社.2005.

作者简介:

张华,1981年出生,学士,工程师.主要从事钢

桥焊接技术工作,已发表论文9篇.

2Olo年第1o期55