歐標(biāo)大直徑圓鋼對(duì)接全熔透焊接工藝及其應(yīng)用

孫海港，孫 恒，鄧鵬明

（精工鋼結(jié)構(gòu)（上海）有限公司，上海201199）

歐標(biāo)大直徑圓鋼對(duì)接全熔透焊接工藝及其應(yīng)用

孫海港，孫 恒，鄧鵬明

（精工鋼結(jié)構(gòu)（上海）有限公司，上海201199）

港珠澳大橋香港口岸旅檢大樓項(xiàng)目鋼結(jié)構(gòu)工程采用材質(zhì)為EN 10025-3 S355NL、直徑φ110 mm的大直徑圓鋼。壓力電阻焊、搭接焊和螺紋套筒均無(wú)法滿足工程構(gòu)件接長(zhǎng)要求。研究歐標(biāo)細(xì)晶粒結(jié)構(gòu)鋼大直徑圓鋼全熔透焊接工藝，包括焊接工藝評(píng)定、原材料、焊接材料、坡口、焊接工藝參數(shù)、焊接順序、檢測(cè)等。實(shí)踐證明，制定的工藝規(guī)程滿足歐標(biāo)細(xì)晶粒結(jié)構(gòu)鋼大直徑圓鋼在建筑鋼結(jié)構(gòu)項(xiàng)目上的應(yīng)用，達(dá)到預(yù)期效果。

細(xì)晶粒結(jié)構(gòu)鋼；EN標(biāo)準(zhǔn)；超低溫沖擊功；圓鋼；焊接工藝

0 前言

港珠澳大橋香港口岸旅檢大樓項(xiàng)目鋼結(jié)構(gòu)工程，幕墻結(jié)構(gòu)有44榀20 m長(zhǎng)的雙桁架，采用直徑φ110 mm的大直徑圓鋼，圓鋼材質(zhì)等級(jí)355NL，執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)EN 10025-3，屈服強(qiáng)度355MPa，沖擊功27 J（-50℃）。

幕墻桁架長(zhǎng)20 m，需要接長(zhǎng)以滿足工程要求。采用壓力電阻焊、搭接焊和加螺紋套筒均無(wú)法滿足圓鋼接長(zhǎng)要求，故對(duì)圓鋼全熔透焊接進(jìn)行研究，以滿足工程要求。

1 焊接工藝

1.1 圓鋼理化性能

圓鋼所用材質(zhì)為S355NL，屬于細(xì)晶粒結(jié)構(gòu)鋼，其化學(xué)成分和力學(xué)性能分別如表1、表2所示。

表1 圓鋼化學(xué)成分%

表2 圓鋼力學(xué)性能

碳當(dāng)量越高，淬應(yīng)和冷裂紋傾向越大，焊接性就越差。當(dāng)碳當(dāng)量為0.4%～0.5%，焊接性稍差，焊接時(shí)要采取適當(dāng)?shù)念A(yù)熱措施[2]。P，S雜質(zhì)的含量很低，不易產(chǎn)生熱裂紋。焊接時(shí)的主要問(wèn)題是確保沒(méi)有冷裂紋及焊接接頭的低溫韌性。因此，焊接時(shí)必須控制熱輸入。

1.2 焊材的選擇

焊材選擇是為了匹配沖擊功的要求。結(jié)合國(guó)內(nèi)焊材廠家的實(shí)際情況，采用直徑φ1.2 mm實(shí)心焊絲，型號(hào)ISO 14341-A-G 46 5 M21 3Ni1，牌號(hào)CHW-55C1，保護(hù)氣體為φ（Ar）80%+φ（CO2）20%。圓鋼焊材匹配如表3所示。

表3 圓鋼焊材匹配

焊材化學(xué)成分如表4所示，力學(xué)性能如表5所示。

表4 焊材化學(xué)成分%

表5 焊材力學(xué)性能

1.3 坡口形式及試件制備

常規(guī)厚板焊接時(shí)，為了減少焊接變形，會(huì)開(kāi)1/3和2/3的不等厚度坡口，使坡口兩側(cè)的焊縫熱輸入一致。圓鋼按照此形式開(kāi)坡口時(shí)，焊接變形大。通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，圓鋼坡口深度偏移中心線8 mm時(shí)，焊接角變形最小。坡口形式如圖1所示。

圖1 坡口加工示意

采用5排試件同時(shí)焊接，減少焊縫區(qū)域的快速冷卻。試件組裝示意如圖2所示。

圖2 試件組裝示意

2 焊接工藝參數(shù)（pWPS）

2.1 圓鋼對(duì)接焊接工藝參數(shù)

圓鋼對(duì)接焊接工藝參數(shù)見(jiàn)表6。焊前預(yù)熱至100℃，層間溫度小于等于250℃，焊后用保溫棉保溫焊縫。

表6 圓鋼對(duì)接焊接工藝參數(shù)

2.2 圓鋼對(duì)接焊接順序

圓鋼對(duì)接焊接順序如圖3所示。

圖3 圓鋼對(duì)接焊道順序示意

采用多道焊和窄焊道，小幅度擺動(dòng)電弧，擺寬不超過(guò)20mm，控制焊接熱輸入，減小焊接應(yīng)力和變形。

3 檢測(cè)方案和檢測(cè)結(jié)果

3.1 檢測(cè)方案

根據(jù)BS EN ISO 15614規(guī)定，全熔透對(duì)接工藝評(píng)定的焊縫需要進(jìn)行拉伸、彎曲、沖擊、硬度和宏觀腐蝕等破壞性試驗(yàn)[3]。標(biāo)準(zhǔn)中沒(méi)有規(guī)定非常規(guī)圓鋼的取樣位置，并且由于直徑較小，取樣位置受限，經(jīng)過(guò)多方溝通，分別從7個(gè)全熔透焊接對(duì)接接頭中取得破壞性試件，如圖4所示。

圖4 試件試驗(yàn)取樣示意

3.2 檢測(cè)結(jié)果

檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表7，彎曲、拉伸檢測(cè)后試樣圖示見(jiàn)圖5。焊縫區(qū)由綜合力學(xué)性能較好的鐵素體和珠光體組成，組織呈枝晶分布，晶粒細(xì)小均勻；母材由綜合力學(xué)性能較好的鐵素體和珠光體組成，組織成帶狀分布，比焊縫區(qū)晶粒較大；熱影響區(qū)由綜合力學(xué)性能較好的鐵素體和珠光體組成，組織呈帶狀分布，晶粒比母材細(xì)小。金相顯微組織如圖6所示。

表7 圓鋼試件檢測(cè)結(jié)果

圖5 彎曲、拉伸檢測(cè)后試樣圖示

圖6 金相顯微組織照片

4 研究結(jié)果與應(yīng)用

根據(jù)焊接評(píng)定試驗(yàn)，編制了焊接工藝規(guī)程，應(yīng)用于港珠澳大橋工程中。

（1）在實(shí)際生產(chǎn)時(shí)，坡口深度為

式中H為坡口深度；D為圓鋼直徑；F為鈍邊。

（2）焊接過(guò)程平均每四道翻身一次，對(duì)稱(chēng)焊接。

5 結(jié)論

（1）根據(jù)研究結(jié)果，編制基于EN標(biāo)準(zhǔn)的細(xì)晶粒結(jié)構(gòu)鋼焊接工藝規(guī)程，滿足大直徑圓鋼對(duì)接全熔透焊接要求。（2）編制了大直徑圓鋼對(duì)接焊接全熔透焊接檢測(cè)方案。（3）在港珠澳大橋項(xiàng)目中的成功應(yīng)用可為今后類(lèi)似工程提供參考。

[1]周振豐，張文鉞.焊接冶金與金屬焊接性[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1987.

[2]劉子祥，戴為志.國(guó)家體育場(chǎng)“鳥(niǎo)巢”鋼結(jié)構(gòu)工程施工技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2011.

[3]CEN.BS EN ISO 15614：2004+A2：2012 Specification and qualification of welding procedures for metallic materials -Welding procedure test-Part 1：Arc and gas welding of steels and arc welding of nickel and nickel alloys[S].UK，2012.

Research and application of full penetration butt welding process on European-standard large-diameter round bar

SUN Haigang，SUN Heng，DENG Pengming
（Jinggong Steel International Co.，Ltd.，Shanghai 201199，China）

The round bar with outside diameter 110 mm and metal grade S355NL of EN 10025-3 is applied in structural steelwork of Hong Kong-Zhu Hai-Macao Bridge Boundary Crossing Facilities Passenger Clearance Building project.The methods of resistance welding，lap welding and threaded sleeve can't meet the requirement for connection extension.In this paper，the research of full penetration butt welding process on fine grained structural steel of European-standard large-diameter round bar is introduced，including welding procedure qualification，parent metal，welding consumables，groove，welding parameter，welding sequence and arrangement of runs and testing.Based on the qualified welding procedure specification，appropriate work instructions are prepared for this project.The results show that application of fine grained structural steel of European-standard large-diameter round bar in steel building structure has been solved and achieved the desired effect.

fine grained structural steel；EN standard；cryogenic impact energy；round bar；welding process

TG44

B

1001－2303（2017）04－00

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.04.

獻(xiàn)

郭吉昌，朱志明，閆國(guó)瑞，等.基于UG的弧焊機(jī)器人離線編程系統(tǒng)開(kāi)發(fā)[J].電焊機(jī)，2017，47（03）：1-6.

2017-02-10；

：2017-03-06

孫海港（1987—），男，河南開(kāi)封人，工程師，學(xué)士，主要從事鋼結(jié)構(gòu)焊接工藝的研究工作。