1. 一般要求
1.全熔透一次焊缝的焊接接头,按零件形状分为三种,如图1所示:对接接头、角接接头、T型接头。对于应力传递焊接,有与母材一样承受各种应力的全熔透一次焊缝、主要承受剪切力的角接焊缝和部分熔透二次焊缝。其中,在充分管理下焊接的全熔透一次焊缝,除了桥式起重机梁等低应力高周疲劳外,在建筑用一般钢材中,对于包括地震等重复载荷在内的所有载荷,可认为具有与母材相同的性能。
2、全焊透一级焊缝焊接要求整个截面完整焊接,焊接部位强度必须等于或高于母材强度。
3、全焊透第一级焊缝的厚度不应小于母材厚度(当母材厚度不同时,应取较薄母材的厚度;对于角接头和T型接头,应取对接母材的厚度)。
若厚度小于母材厚度,不但不能保证设计的耐久性,而且会造成应力集中,反之,焊冠过高,也会造成应力集中,因此必须使焊冠不宜过大。
4、例如在柱梁连接处,当在T型接头或角接头处有沿厚度方向拉动钢板的力时,应注意即使没有焊接缺陷,也有钢板强度低而产生裂纹的情况。众所周知,轧制钢板在厚度方向的强度或延伸率低于轧制方向的强度或延伸率。特别是当钢材轧制时存在分层偏斜的非金属中间物(MnS成分)时,在很低的应力下就会产生裂纹或剥落。因此,在厚度方向有拉力的部位使用的钢板,如柱贯通式的顶柱翼板、梁贯通式的外柱和角柱的梁翼板等,应进行详细审查和考虑。在连续铸造中,由于凝固温度的差异或表面温度的降低,MnS成分在板厚中心处发生偏转,同时Al2O3有在表层偏析的趋势,但近年来这种情况已得到改善。
近年来,随着结构尺寸的不断增大,厚钢板多层焊接引起的层状撕裂问题已见诸报端。在钢结构中应力最大、承受反复塑性应变的柱梁节点,常采用T型全熔透一次焊缝。此部位是最易发生层状撕裂的部位,因此需选用优良钢板,并重新审视焊接设计和施工方法。
其它热影响区裂纹多为低温裂纹,可通过适当的预热来预防,因此预热管理尤为重要。
2. 斜面形状
焊接接头的坡口形状是接头完好性的基本要素。如果根部间隙和坡口角度不合适,会损害焊接接头的质量。因此,需要根据各种焊接方法和接头类型来确定坡口形状。对于一般的焊接方法,如果使用垫板,接头类型的标准坡口形状根部表面尺寸在 2mm 以内是没有问题的。如果要使用特殊的焊接方法或接头类型,则取决于条件,可以通过数据确认是质量和施工都没有问题的坡口形状。
3.焊接冠
为了避免应力集中,第一级全熔透焊缝的焊冠不宜过大,应从母材表面开始呈光滑连续的形状,焊冠高度以0~3mm为宜。
4. T 型接头焊冠高度
T 型接头的焊冠应能缓解焊接部位附近的应力集中,这对于防止对接板开裂或剥落非常重要。焊冠应如图 2 所示。为此,焊道光滑非常重要。此外,焊冠高度 (h) 为对接材料厚度的 1/4,当厚度超过 40mm 时,为 10mm。
5.起弧板
一般而言,焊接起始处容易发生熔深不良或气孔,终止处容易产生弧坑、裂纹等缺陷。为了防止作为结构的有效焊接产生这些缺陷,原则上需要在焊接起始和终止处安装适当形状的钢制引弧板进行焊接(见图3)。一般情况下,焊后引弧板不需要拆除,留着也没有问题(见图4)。但当板厚超过50mm,柱、梁等宽时,希望可以拆除。例如桥式起重机梁承受低应力高周疲劳时,需要拆除并用磨床进行微调。最好不要将柱梁连接处的引弧板直接焊接在柱梁翼板上。这是因为引弧板组焊为短焊缝,降低了热影响区的断裂韧性,而该部位可能成为整个翼板脆性破坏的起点。图5为柱-梁节点处引弧板组焊实例。
引弧板安装在组焊的垫板上,若必须在槽内进行,则需要在正焊后进行施工,以充分保证焊接部位的质量。但现实中施工条件比正焊更为严格,导致组焊质量不足的情况很多,特别是在全焊透等重要接头的焊接中。采用下列任何一种方法,都需要在正焊时将组焊焊缝清除或重熔。
① 焊接前用电弧刮除组焊的焊道。
②.进行背面刮削,清除第一道焊接端的剩余组焊缝。
③.采用组装焊,使焊缝重熔而不留缺陷的焊接方法。
组焊采用护套电焊或气体保护焊。当焊接较厚的钢板,如组焊那样焊缝长度较短时,焊缝会迅速加热、冷却并硬化。由于扩散氢的量和约束程度,可能会产生焊接裂纹。板厚越厚或高强度钢的合金含量越高,这种倾向就越明显。因此,当采用护套电焊进行组焊时,根据板厚和钢种使用低氢焊条。实际上,很难根据板厚和钢种改变焊条,因此希望在使用护套电焊时统一使用低氢焊条。此外,气体保护焊由于扩散氢很少,对裂纹有效果,在组焊中也应使用。
另外,预热对于裂纹有有效作用,组焊时应在与焊接同等条件下进行预热。
除钢制引弧板法外,还有用焊剂或陶瓷等烧结固定引弧板或冲压钢板引弧板代替引弧板的引弧板法,或用垫板法、再流法、端面刮削法等省略引弧板法。其适用范围是焊接姿势以平焊为基本,适用的钢材为Q235、Q345。但在此范围之外,若经焊接性试验确认焊接部位质量等于或高于以前采用钢制引弧板法时的质量钢结构焊接坡口要求,则可适用。焊接技师必须具备相应焊接方法的资格,并按相应引弧板法焊接技师技术附加考试,经工程主管认可的人员认可。
在这些引弧板施工方法中,最常见的是固定引弧板施工方法,其注意事项有以下几点:
1、由于焊接姿势原因,固定引弧板材质不会渗透到焊缝金属中,造成接头性能恶化。
2、垫板的作用是防止焊接结束时焊接金属熔化,需比母材末端长约10mm。
3、固定引弧板利用钢丝、磁铁夹具等固定在母材上。焊接方法如图6所示,电弧从进入母材端部15~20mm处产生,再向端部开始焊接,以保证初始层焊接能充分熔透端部。
6. 不同板厚的接头
当对接接头材料厚度不同时,应从较薄的板料向较厚的板料焊接,以使应力平稳传递。如图7(a)所示,当因厚度差异造成台阶差超过10mm或桥式起重机梁承受低压高周疲劳时,应将较厚的板料加工成小于1/2.5的倾角,坡口部分应与较薄的板料高度相同。
但对于图7(b)所示的SRC梁贯通式拱头法兰接头,当采用双面焊(背铲)时,若板厚差超过10mm,则只需做补强角焊即可。另外,当采用垫板单面焊时,需经工程监理同意。
7. 空中滑行
双面焊时,原则上应在背面焊第一层前进行清根。一般表面第一层焊后,由于冷却速度快,容易产生开裂、焊透不良、夹渣等缺陷,为此需进行清根,以清除表面第一层的缺陷部分。但埋弧焊时,如果施工试验或无损检测证实背面第一层焊透性良好,可不进行清根。
8. 背板
使用垫板时,为获得良好的根部熔深钢结构焊接坡口要求,必须留有足够的根部间隙,使垫板紧密贴合。若垫板不能完全贴合,根部间隙过窄,则容易造成根部熔深不良、夹渣等焊接缺陷。
垫板原则上应采用Q345B材料,其他材料需考察P、S、Cu、C等化学成分,确认焊接性没有问题。
柱梁节点的垫板原则上应安装在翼缘内侧,现场焊接时若翼缘无可替代时,也可安装在外侧,垫板安装位置如图8所示。
垫板组焊同时承受拉力和轻微弯曲应力,即角焊缝承受最大应力,相对容易断裂。而且角焊缝往往不经预热等直接焊接,虽然组焊原始焊缝长度足够,但焊缝金属或热影响区的断裂韧性很低,角焊缝的断裂仍与整个接头的脆性破坏联系在一起。在这种情况下,使用垫板的柱-梁节点的垫板组焊不应在梁翼缘两端10mm范围内或腹板角焊缝R趾端、角焊趾端10mm范围内进行(图9(1))。垫板组焊应在引弧板位置(图9(2))或梁翼缘1/4宽度位置进行(图9(3))。
当引弧板安装在垫板或梁翼板外侧时,应如图9(2)所示,在外侧与梁翼板、柱翼板组焊。