全熔透焊縫的合理應(yīng)用

1、全熔透焊縫的合理應(yīng)用摘 要: 在建筑鋼結(jié)構(gòu)中對熔透焊的應(yīng)用存在一些的誤區(qū),本文試對問題的實質(zhì)進(jìn)行分析、探索,為其合理應(yīng)用提出一些實質(zhì)性意見和建議關(guān)鍵詞：等強 應(yīng)力集中 角焊縫 部分熔透焊縫 全熔透焊縫 工藝紀(jì)律一、問題的提出全熔透焊縫通常指平對接焊縫和T形連接焊縫，本文是針對T形接頭而言。該類接頭多為雙面角焊縫或坡口角焊縫（部分熔透焊）。然而在現(xiàn)行的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計圖紙上出現(xiàn)T形接頭有許多要求是全熔透焊。主要原因之一是現(xiàn)行的有關(guān)規(guī)范上的一些要求。在GB500172003 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范的中,“1.在需進(jìn)行要疲勞計算的構(gòu)件中，凡對接焊縫均應(yīng)焊透，不需要計算疲勞的構(gòu)件中，凡要求與母材等強的對接焊縫應(yīng)予焊

2、透”。因在JGJ81-2002建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接技術(shù)規(guī)程中把T形接頭稱作對接與角接組合焊縫，容易給人造成誤解，把T形接頭也作為對接接頭來要求。在GB500172003 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范的 梁柱連接節(jié)點處柱腹板橫向加勁肋應(yīng)滿足下列要求：“橫向加勁肋，用焊透的T形對接焊縫與柱翼緣連接。當(dāng)梁與H形或工字形截面柱的腹板垂直相連形成剛接時，橫向加勁肋與柱腹板的連接也宜采用焊透對接焊縫?！?在CECS102：2002門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程上的條中，有“剛架構(gòu)件的翼緣與端板的連接應(yīng)采用全熔透對接焊縫，”。由于要求范圍大，有強制性，就容易使設(shè)計者走進(jìn)誤區(qū).致使在現(xiàn)在的鋼結(jié)構(gòu)工程設(shè)計中動輒就是熔透焊,給工程造

3、成很大的損失。在我國建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中之所以熔透焊縫會大量采用，除在規(guī)范上的要求外，筆者認(rèn)為主要是：一是認(rèn)為全熔透焊縫至少保證了焊縫的截面積與翼板的橫載面相同，這樣就保證了焊縫與母材等強，就不會有問題了。二是認(rèn)為全熔透焊縫的質(zhì)量可靠，因它規(guī)定要用探傷的方法來檢查，而部分熔透焊縫與角焊縫只是外觀檢查，不作探傷檢查，內(nèi)部質(zhì)量不夠可靠。以至許多本來可以用部分熔透焊或角焊縫來實現(xiàn)的，也都用全熔透焊來要求。三是規(guī)范中把角焊縫定為三級焊縫更加深了其誤解。設(shè)計人員的不負(fù)責(zé)任的保守設(shè)計是多用全熔透焊縫的主要根源。二、熔透焊的缺點1T形熔透焊縫施焊成本高，工藝性差在實際的構(gòu)件施焊時，為保證接頭和T形全熔透焊焊縫的

4、質(zhì)量, 在一般情況下是采取一側(cè)焊縫焊好后，用碳弧氣刨的方法在反面進(jìn)行清根，然后再焊接的辦法。而這種焊接后反面碳弧氣刨清根再焊接的方法一般是在返修時才采用的，在正式施工時應(yīng)盡量避用。因該方法存在以下缺點：清根時把裝配時用作定位的鈍邊部分刨掉后，使原來鈍邊的限止焊縫收縮的支撐力失去， 使原來對坡口焊縫橫向收縮的約束失去，接頭在殘余收縮應(yīng)力作用下進(jìn)一步產(chǎn)生收縮。所以焊縫的橫向收縮量增大，使構(gòu)件精度控制難度加大。而由于經(jīng)三次熱循環(huán)（正面焊、反面氣刨，反面焊接）接頭熱影響區(qū)的性能降低，特別是粗晶加重，翼板的層間結(jié)合力降低，Z向性能下降。在對H型鋼的翼板進(jìn)行氣刨清根時，有時由于腹板的阻擋,熔渣屑將反噴向焊

5、工，所以可操作性很差。在梁柱連接節(jié)點處柱腹板的橫向加勁肋與柱翼緣、腹板的連接，在清根時反噴也很嚴(yán)重。由于碳弧氣刨用的是壓縮空氣砍，氣刨表面全部是氧化鐵，由于氣刨后的槽道狹窄，清理打磨困難，不能有效磨掉，使焊接后焊縫金屬中氧化鐵含量偏高。特別是焊接采用二氧化碳?xì)獗：?，因脫氧性差，就更不利。氣刨后焊接，被焊金屬多次加熱，對熱影響區(qū)組織和性能影響較大，接頭性能下降。該焊縫的施工要比焊縫計算厚度與母材等強的部分熔透焊縫或雙面角焊縫用的總工時（包括開坡口、裝配定位焊、焊接、矯正、氣刨、探傷）多2-4倍。2T形熔透焊接點的力流線彎曲半徑小，應(yīng)力集中程度大于部分熔透焊縫和角焊縫，由于熔透焊的焊腳?。ㄍǔ：改_

6、為t/4，），所以接頭在焊趾處更容易形成結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中區(qū)。從圖2中可見受力后很大一部分力主要通過焊縫的外層，角焊縫的力流線明顯比熔透焊過渡平緩。而接頭的應(yīng)力集中有時是比動載和疲勞更容易造成開裂的原因。三、選擇焊縫應(yīng)考慮的因素選擇焊縫應(yīng)考慮的因素是一個很大的題目。筆者認(rèn)為一個T形接頭是采用熔透焊縫、坡口角焊縫還是角焊縫不能單從是否要求等強來規(guī)定，而應(yīng)根據(jù)情況作具體分析后才能確定?？紤]的因素主要有以下幾個方面：1焊縫強度首先必須糾正只有熔透焊才能是等強、抗疲勞、抗震的錯誤觀點。無論是角焊縫、坡口角焊縫都可承擔(dān)等強、抗疲勞、抗震、抗裂的作用。角焊縫在焊腳和熔深一定時也完全可使與母材等強或超強。對于焊

7、縫強度設(shè)計值，在GB50017-2003中，角焊縫的強度設(shè)計值遠(yuǎn)小于三級對接焊縫，例如16mm的Q345鋼的焊縫的強度設(shè)計值，一、二級對接焊縫為310 N/mm2，三級為265N/mm2，而角焊縫的強度設(shè)計值僅為200 N/mm2。這樣很容易帶來誤解，認(rèn)為角焊縫的強度差。規(guī)范中這樣不設(shè)任何前提，沒有可比性的兩種焊縫放在一個表上是不妥的。它易誤導(dǎo)了設(shè)計人員對角焊縫的合理使用。實際上角焊縫的焊縫金屬的強度并不比對接焊縫差。如是考慮到把角焊縫由于不便于探傷而只能將其定為三級焊縫，這是不科學(xué)不合理的，必須糾正。 有資料表示，梁與端板的連接，其端板與梁的翼板的連接都是采用雙面角焊縫，其焊縫厚度a=t/2

8、，a為焊縫厚，t為梁翼板厚。1?！霸赥形（或十字）接頭中角焊縫尺寸：按等強考慮，雙面角焊縫的焊腳尺寸應(yīng)為：就是直接承受動載荷或疲勞的T型熔透焊縫，在焊縫的端部是最容易發(fā)生開裂的地方，所以端部的焊腳高要按t/2來要求，也可用增加筋板來實現(xiàn)(見圖3)。使該節(jié)點的總的強度、抗震抗裂性超過其連接件（母材）?；蛟诠に嚿弦蟀叞腔驇Ъ訌姼叩暮缚p封頭(見圖4 )，使總的強度應(yīng)超過接頭中部。該措施應(yīng)是比單要求熔透焊更為重要。許多鋼結(jié)構(gòu)廠為了美觀，錯誤的把該焊縫在最后磨成與板邊一樣平，應(yīng)糾正。2板厚與剛度在考慮到接頭形式與結(jié)構(gòu)狀態(tài)情況下，板厚小用角焊的原則在上面已有說明，對于薄板如采用熔透焊不但是個成本上的

9、浪費，而且對裝配質(zhì)量，接頭質(zhì)量也是不利的。而采用角焊縫工藝性好。節(jié)頭的綜合質(zhì)量也比熔透焊好。連接焊縫的設(shè)計，除強度外，還必須考慮剛度，焊縫連接接頭的剛度盡量與被連接件一致，或略大于連接件，使整個結(jié)構(gòu)的剛度過渡是平滑的。美國的輕鋼廠房結(jié)構(gòu)，H型鋼均采用薄板（6mm）、大高度，它的翼板與腹板的焊接均采用單面角焊縫，其焊縫厚度遠(yuǎn)小于腹板的板厚。就是從構(gòu)件的剛度考慮的。因為該焊縫受力后產(chǎn)生屈曲前，腹板的剛性已經(jīng)失穩(wěn)產(chǎn)生彎曲。但當(dāng)T形接頭的板厚過大時，就要考慮采用熔透焊，目的主要是為避免產(chǎn)生層狀撕裂。雖在規(guī)范中有“凡要求與母材等強的對接焊縫應(yīng)予焊透”，但它指的是平對接焊縫，而對于T型焊縫，如在結(jié)構(gòu)的連接

10、設(shè)計中要求與母材等強，除直接承受動載和需要驗算疲勞的以外，通常宜按焊縫計算厚度與母材等強的部分熔透焊縫或等強的角焊縫來實現(xiàn)。四、設(shè)計上應(yīng)正確使用熔透焊如圖5，是某銀行業(yè)務(wù)運營大樓鋼結(jié)構(gòu)工程的圓管柱轉(zhuǎn)換成H型柱的構(gòu)件，設(shè)計為全熔透結(jié)構(gòu)，不但復(fù)雜，工藝性差，而且質(zhì)量難保證。而建議改進(jìn)的方案不但結(jié)構(gòu)受力合理，工藝性好，整體的質(zhì)量更容易控制，焊縫都可用角焊縫。又如圖6，是H型柱柱頂?shù)呐Ｍ冉M合結(jié)構(gòu)，原設(shè)計方案是左右兩牛腿分開單獨預(yù)制后再與H柱組焊在一起，焊縫全都是熔透焊，此方案裝配精度難保證，焊接工藝可達(dá)性差。建議改進(jìn)的方案是把左右的牛腿設(shè)計成一個整體，預(yù)制好后再與H形柱組焊在一起，這樣裝配簡易因基本是

11、焊縫的長度方向受力，焊縫均可采用角焊縫，組焊質(zhì)量容易控制。對于焊接強度，熔透焊可作無損探傷，二級焊縫只是個質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，超聲波探傷只能控制氣孔、夾渣、未焊透等空缺型缺陷，而其它的如焊縫金屬的成份、組織、性能、殘余應(yīng)力狀態(tài)等仍是失控的。而就是合格的焊縫，也存在焊縫的成份、組織、性能、尺寸形狀的不一致性，強度計算時不會考慮進(jìn)去，而對焊縫裂紋的產(chǎn)生卻可起極大的作用。這些都決定了設(shè)計的焊縫許用應(yīng)力必須降低對于承受動載的、結(jié)構(gòu)會因該焊接接頭斷裂而產(chǎn)生重大事故的焊縫強度的設(shè)計絕對不能是焊縫截面積與母材相等的概念，有時必須遠(yuǎn)大于母材截面的承載力，該焊接接頭才是安全的。如鋼柱的牛腿設(shè)計，設(shè)計者為引合業(yè)主降低用鋼量

12、要求，把牛腿的寬度縮小到近極限，而與柱的連接焊縫強度認(rèn)為只要是熔透就與母材等強，使牛腿的安全可靠性大為降低。在柱的寬度較大情況下，把連接處牛腿翼板的寬度放大與柱板同寬，見圖7，使增加了受力焊縫長度，增加了連接的可靠性。許多圖紙中鋼柱與底板的焊接，不管是否為抗震設(shè)防，柱翼板與底板都采用全熔透要求。特別是帶加筋板的靴式柱腳，由于筋板的均在柱翼板的外部，受力后力矩基本上轉(zhuǎn)移到筋板與底板的連接焊縫上，所以對要抗震設(shè)防的，筋板與柱和底板的焊縫反而應(yīng)該熔透焊，而與底板的連接宜為磨平頂緊的部分熔透焊或角焊縫（視操作可達(dá)性而定）。對于要進(jìn)行的全熔透焊，工廠的工藝部門要進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)，改變K型坡口的全熔透焊一定要

13、反面清根的落后工藝。從坡口的改進(jìn)，如進(jìn)行技改，用成型銑刀，銑成J型坡口；在打底焊上改變靠氣刨清根來清除焊接缺陷的觀念，提高打底焊的焊縫質(zhì)量，必要是采用焊條電弧焊來彌補氣保焊焊絲干伸長度過長，氣體保護不好，使熔池性能下降的缺點。 五、必須重視工藝要求與工藝紀(jì)律我國建筑鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)中，特別是在鋼結(jié)構(gòu)安裝現(xiàn)場作業(yè)，由于施工條件相對較差，對角焊縫，因不探傷，很難放心焊縫的內(nèi)部質(zhì)量，單憑外觀有時很難判斷內(nèi)部的焊接質(zhì)量問題。在當(dāng)前鋼結(jié)構(gòu)工廠對構(gòu)件中的部分熔透焊縫和角焊縫的施焊主要是外表達(dá)到焊腳高而已。而對熔深與內(nèi)部夾渣和未熔合往往是失控的。這也許就是現(xiàn)在設(shè)計中全熔透焊縫要求泛濫的重要原因之一。要解決此問題的

14、唯一途徑就是強化工藝要求嚴(yán)嚴(yán)肅工藝紀(jì)律。現(xiàn)在雖有規(guī)定焊工要有上崗證，操作證，都經(jīng)過技能考試。但在實際上往往只是在投標(biāo)書和施工組織設(shè)計的文本中把焊工操作證復(fù)印在里面，在實際生產(chǎn)中真正施工的焊工是否有證卻不一定。有操作證的也無法反映焊工技術(shù)的高低。部分熔透焊與角焊縫除了檢查焊腳高外，焊縫的質(zhì)量的保證靠的是工藝規(guī)程，靠的是工藝紀(jì)律，靠的是質(zhì)量控制措施。如因為某種焊接方法的質(zhì)量控制麻煩就躲避它，而去采用熔透焊是一種偷懶的做法，不是一個科學(xué)的態(tài)度。六、探討性建議針對存在的問題，筆者試對鋼結(jié)構(gòu)熔透焊與角焊縫的合理應(yīng)用提出幾點建議：1對工藝文件的要求正規(guī)化，把工藝紀(jì)律檢查列入鋼結(jié)構(gòu)制作、安裝施工單位、監(jiān)理單位的質(zhì)量管理范疇。2建議增加對角焊縫的熔深（p）的檢查，見圖9。因熔深未超過根部就是未熔透。建議增加對部分熔透焊縫（圖10的中間圖）的坡口深（H）的熔透性檢查。在現(xiàn)場可用超聲波探傷法探測熔深，進(jìn)行抽查。并把此要求納入工藝文件。從而使角焊縫與部分熔透焊縫的熔深得到保障。 3薄板與厚板宜采有不同的焊縫要求，綜合考慮我國當(dāng)前的狀態(tài)，建議在一般性結(jié)構(gòu)中要求全熔透的焊縫，可按下圖考慮。見圖10 。在門式剛架廠房鋼梁與端板的熔透焊要求可以按t14mm的進(jìn)行全熔透。 以上這些與現(xiàn)行規(guī)范有沖突的意見與行業(yè)內(nèi)專家交流，并供廣大鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計人員參考。任何規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)都是在實踐中不斷改進(jìn)與完善的。T形焊縫接頭是鋼結(jié)構(gòu)