论钢结构窄间隙焊接技术

曹效雷

摘要：本文从介绍和分析窄间隙焊接技术入手，结合建筑钢结构行业的实际，阐明了我国建筑钢结构应用窄间隙焊接技术的基本思路，明确提出了窄坡口焊接技术新观点，指明了技术路线的方向，制定了应用技术研究的新课题。

关键词：窄间隙焊；焊接接头；窄坡口焊；技术

根据有关文献和研究结果，与传统焊接技术相比，窄间隙焊有很多优越性：①焊缝的横截面积大幅度减少；②热压缩塑性变形量大幅度减少且沿板厚方向更趋均匀化；③较小的焊接线能量提高了焊接接头的冲击韧性；④焊接效率很高。可以说：窄间隙焊是一种高质量、高效率的焊接技术，尤其是焊接接头有较高的力学性能、较低的残余应力和残余变形以及很高的焊接效率，从而决定了该项技术在钢结构焊接领域的地位，特别是在厚板焊接工程中具有十分强烈的吸引力。

然而，在建筑钢结构焊接工程中，真正意义上的窄间隙焊接技术没有得到应有的推广应用，说明了该项技术有它固有的局限性。因此，应当正视窄间隙焊接技术中有的问题十分棘手，从根本上看还没有产生技术飞跃进步，推广应用尚不尽如人意。

１ 窄间隙焊的技术关键

实现高质量、高效率、高可靠性的窄间隙焊并非易事，因为在窄而深的坡口内进行电弧焊接，传统坡口下的传统焊接工艺难以保证焊接质量，如果不采用多层多道焊技术，焊缝金

属的一次结晶极易产生区域偏析，进而产生热裂纹。除此之外，在技术上尚有如下困难：

1.1在窄间隙焊接条件下，若采用传统焊接技术，电弧轴线基本与坡口面（坡口侧壁）平行，一般情况下连能量密度很低的电弧周边也难以作用到坡口侧璧，更不用说能量密度最高的电弧中心了，这就导致了侧璧均匀熔合的可靠性差，在线能量低时这种情况尤为突出，这是窄间隙焊的最大困难。

1.2在窄而深的坡口内进行气体保护焊明弧焊接时，焊接的飞溅对工艺可靠性影响极大。当飞溅聚集到喷嘴端口和导电嘴出口处，会影响气体的保护效果和送丝稳定性；飞溅若粘合或焊在侧璧上，将直接导致焊枪运行困难甚至短路。

1.3对工艺参数的稳定和电弧空间作用位置的控制要求极高。因为工艺参数的稳定精度和电弧作用的位置精度直接影响到层、道间以及与侧璧之间的熔合质量（中、低线能量时尤为突出）；窄而深的坡口内清渣极为困难，且保护气体的送达和层流状态的保持直接决定对焊接区的冶金保护，焊枪运行不畅直接影响气体保护。

世界各国的焊接专家在攻克上述难关的历程中，发明了许许多多的技术方法，现略举一二：

1.3.1解决侧璧熔合问题：采用麻花焊丝、波浪焊丝；采用双丝分别偏向两侧璧；采用螺旋送进焊丝；焊丝在坡口内偏摆；交流波形上叠加脉冲；旋转射流等。不难发现传统焊接设备是不能完成上述技术的基本动作。

1.3.2解决飞溅问题：采用多、细丝埋弧焊（一般为三丝、中等线能量）；采用富氩气全射流过渡或射流／短路混合过渡（用脉冲电流）；采用药芯焊丝电弧焊；采用表面张力过渡特别技术等。

1.3.3解决工艺过程稳定性控制问题：采用降特性电源或脉冲电源；缩短送丝长度，采用高稳定性、高推力的送丝机构；采用特殊箱形喷嘴、多重保护（内、外保护）；采用各种光电式计算机辅助自动跟踪系统等。从上述介绍中可以发现：窄间隙焊并不是单纯的减少焊缝截面积，用常规工艺可以完成的焊接技术；日本压力容器研究委员会施工分会第八专门委员会对窄间隙焊的定义作了如下规定：窄间隙焊接是把厚度为30ｍｍ以上的钢板，按小于板厚的间隙相对放置开坡口，再进行机械化或自动化弧焊的方法（板厚小于20ｍｍ时，间隙小于20ｍｍ；板厚大于30ｍｍ时，间隙小于30ｍｍ）。窄间隙焊具有以下特征：①利用了现有弧焊原理的一种特别技术；②多数采用Ｉ型坡口、Ｕ型或双Ｖ型坡口，精度要求高，坡口角度大小视焊接中的变形量而定；③采用多层焊或多层多道焊；④自下而上各层焊道数目基本相同；⑤采用小或者中等线能量焊接；⑥能够进行全位置焊。从坡口角度上判断：30ｍｍ以上的钢板，焊缝成形系数等于或大于１的坡口不能叫窄间隙焊。

２ 国内外建筑钢结构应用窄间隙焊的大致情况

目前，国外已研制多种气保焊的窄间隙焊接方法，并成功地用在钢结构构件的制作中。其中，多数的方法是具有摆动功能的，可以自由地调节摆动幅度、角度及周期。为达到良好

的保护效果，有的采用双重保护（内、外）。由国外生产的窄间隙焊接专用设备也已经在国内经销，目前尚无应用实例，不过，在西气东输的工程中，窄间隙全位置焊接技术得到了成功的应用。

在建筑钢结构领域中，无论是工厂制作还是现场安装焊接工程，推广应用窄间隙焊技术是有一定困难的。主要有两个方面的困难：

2.1高精度的坡口加工是建筑钢结构焊接工程推广窄间隙焊接技术的主要障碍

单从焊接的角度上，坡口可以大大地降低焊接成本，但同时也相应地增加了坡口机械加工成本；由于建筑钢结构焊接量大、焊缝多且长，用机械加工十分困难且成本

很高，估计加工成本远远大于焊接成本，特别是在安装现场由于焊接接头的复杂性、位置的多样性，机械加工几乎不能进行。

2.2特殊的焊接工艺、专用焊接设备是建筑钢结构焊接工程推广窄间隙焊接技术的又一难关

首先，要解决高精度坡口加工的机械设备；然后，解决焊接设备。有了上述两项基础工作，就有希望开展窄间隙焊技术。

在建筑钢结构领域内，窄间隙焊接技术有没有推广的必要呢？回答是肯定的。由于窄间隙焊接技术固有的优点，在建筑钢结构领域内其应当得到相应的肯定。特别是在钢结构焊接接头拘束度很大、存在层状撕裂危险的丁字和十字接头，窄间隙焊接技术大有用武之地。

用常规的设备进行窄间隙焊接，必须对工艺进行研究，并对坡口作适当的改进，同时还要培训焊工，否则所谓的窄间隙焊接就难以实现。改进后的焊缝坡口成形系数可能大于等于１，不是真正意义上的窄间隙焊。

３ 应用窄间隙焊接技术原理发展窄坡口焊接技术

由于建筑钢结构领域的特殊性和对工程成本的严格要求，大面积应用机械加工坡口是不现实的，购置价格昂贵的专用设备开展窄间隙焊接技术也是不合算的，这是因为建筑钢结构

焊接接头同压力容器焊接接头情况不同所致。

那么，建筑钢结构应当走什么样的技术道路呢？我们认为：应用窄间隙焊接技术原理改革坡口型式，采用多层多道焊技术减少焊缝金属截面积，提高焊接接头的综合性能，就是焊接建筑钢结构正确的技术路线。

窄间隙焊接技术的核心是减少焊缝金属的截面积，因此，暂时定义为“窄坡口焊接技术”。

由于钢结构厚板焊接工程量大、难度高，技术界十分重视坡口的设计：坡口小易形成窄而深的形式，焊缝成形系数偏小，影响一次结晶，容易产生区域偏析；在拘束应力大的前提下进而导致焊接热裂纹的产生，因此，在坡口减少的同时要采用多层多道焊接技术和组合焊接新工艺。

3.1组合焊接新工艺

在厚板焊接中，常规焊接是从打底、填充到盖面一种方式全部完成。这种方式由于管理简便而大量使用，但这种方式也有其局限性。以ＧＭＡＷ为例，在厚板打底焊接中，由于坡口小干丝伸出过长，气体保护不好而使焊缝金属产生不应有的缺陷造成返工，产生直接经济损失。组合工艺的具体内容是：

3.1.1打底焊：采用ＳＭＡＷ（焊条电弧焊），主要有两个目的：其一，解决ＧＭＡＷ因伸出干丝过长影响焊接质量的矛盾，提高打底焊缝成形质量；其二，ＳＭＡＷ同ＧＭＡＷ相比较，焊缝稀释率相对较低，这对提高焊缝金属的综合指标比较有利。

3.1.2填充焊：采用ＧＭＡＷ，主要的目的是利用ＧＭＡＷ的高效及熔深相对较大的优点，解决了侧璧熔合的可靠性，提高焊接质量和效率。

3.1.3盖面焊：采用ＦＣＡＷ－Ｇ，主要是提高焊缝的表面质量，获得良好的观感效果。从焊缝成形的角度上看：打底焊和盖面焊是最重要的步骤。在厚板焊接中，假如缺陷出在打底焊缝，如果在ＢＯＸ結构体系中，那么返工时间是整条焊缝正常焊接时间的三倍以上。因此，这必须引起各级管理人员和焊工的高度重视，以保证组合工艺的有效实施。

3.2多层多道接头错位焊接新工艺

在钢板焊接中，多层焊的焊缝质量比单层焊好，而多层多道焊的焊缝质量又比多层焊好，特别是板厚超过25ｍｍ时效果最明显，因此，在厚板焊接时，首选多层多道焊技术。所谓多层焊技术，不是一次成形，而是多层成形，焊接运条手法允许摆动，焊接厚度一般不控制，适合低碳钢厚板焊接。多层多道焊就是在多层焊的基础上，焊接手法不允许摆动，焊接厚度要明确规定，以限制焊缝的热输入量。多层多道错位焊接技术就是在多层多道焊接技术的基础上，加入焊接接头每一道次错位连接，即接头不在一个平面内，通常错位50ｍｍ以上。这种技术特别适合于高强钢厚板的焊接。多层多道错位焊接技术的显著优点就是上一层次对下一层次进行了有效的热处理。

在焊后冷却过程中，焊缝从接近基本金属开始凝固，单道焊的组织为典型的柱状结晶，且共晶粒通常是与等温曲线法线方向（即最大温度梯度方向）长大。由于凝固是从纯度较高的高熔点物质开始，所以在最后凝固部分及柱状晶的间隙处，便会留下低熔点不纯物质。在多层焊时，对前一道焊缝重新加热，加热超过900℃的部分可以消除柱状晶并使晶粒细化。因此，多层焊比单层焊的力学性能要好，特别是冲击韧性有显著的提高。

理论和实践方面均证实：“窄坡口焊接技术”是能够实现的。问题在于窄坡口小到什么程度？坡口的角度同厚板的具体规格有什么关系？常规的焊接工艺应当作什么改进？这些关键技术问题有待我们进一步深入研究解决，相信不久的将来会有满意的答案。