二　焊接線能量定義及其實際控制

焊接線能量知識是焊接應用技術理論和焊接實踐有機結合的橋梁，是焊接從業人員必須掌握的立身之本，是非常重要的技術理論參數。因此，必須充分理解其技術實質，并在工程實踐中加以靈活運用。

（一）焊接線能量的定義

焊接線能量又稱焊接熱輸入量，是焊縫（熔合線）單位長度所吸收的熱量（能量）。用下式來表述：

E=ηAV/U　?。?.1）

式中　E——線能量（熱輸入量），kJ/cm；

η——熱效率0.8～0.95，在實際計算中可以不考慮熱效率；

A——焊接電流，A；

V——電弧電壓，V；

U——焊接速度，cm/min。

焊接線能量是焊縫質量“控形”和“控性”最重要的技術參數。實際焊接線能量大小決定焊縫及HAZ的綜合性能，因為焊縫中的熔合線（區）是焊接接頭最薄弱的部分，是提高焊接質量必須研究的重點部位，線能量概念直接地影響和表征了這一技術要點。

焊接線能量是最有影響的焊接參數，目前生產的鋼材，在焊接工程中多數需要限制線能量的上限（少數承受大線能量鋼種除外），以免發生過熱軟化和脆化。而今面對廣泛使用的建筑鋼結構焊接工程中的結構鋼，特別是高強鋼，還必須限制線能量的下限，否則易于引起冷裂紋現象。

（二）焊接線能量與焊縫“控形、控性”質量控制

線能量包含三個參數：焊接電流A、電弧電壓V、焊接速度U。如果說焊接線能量的確定取決于焊接性；那么，焊接線能量在一定的情況下，焊接參數如何組合，則主要取決于其工藝性，即操作過程的穩定性和良好的成形等。對于GMAW、FCAW-G、SAW而言，焊接電流的變化可以由送絲速度反映出來，因此，要求焊接速度與送絲速度有良好的配合。

焊縫“最精準的控型、最少損害的控性”質量控制觀點，是著名學者、焊接專家宋天虎先生提出的新概念。這一觀念不僅新穎時尚，而且對工程管理技術實質“一語中的”。這一概念的提出，標志我國焊接質量控制思想認識登上一個新臺階。

所謂焊縫最精準的控形，是指在一定焊接工藝條件下，獲得優良致密、無缺陷焊接接頭的能力。它不是鋼材本身所固有的性能，而是根據某種焊接方法和所采用的具體工藝措施來努力實現的目的。也就是焊縫包括表面、焊縫形狀及焊縫的內在成形質量的控制，即焊接電流、電弧電壓、焊接速度有機（最佳）組合的結果。應當說，這是焊線能量工藝特性所決定的，所以金屬材料的工藝特性與焊接過程密切相關。因此，對焊工的操作水平提出了極高的要求。

所謂焊縫“最少損害的控性”，就是控制焊縫的綜合性能。即焊縫的力學性能和冶金性能，其中包括：抗拉強度（σb或Rm）、屈服強度（σs或Re）、伸長率（δ）、斷面收縮率（ψ）、冷彎、硬度、沖擊韌度（ak）、金相組織。即良好的焊接性和熔池良好的冶金反應是由焊接線能量針對相應母材的焊接性所決定的。而這一關鍵技術指標，涉及焊接接頭的綜合性能，特別是脆性斷裂的脆性轉變溫度的高低，因此，是工程技術人員關注的重點。

由此，全面的、無遺漏的、有機的組成焊縫的綜合性能。

（三）焊縫最精準的控形指標和焊接線能量的關系

一條質量上乘的焊縫表面應該沒有裂紋、咬肉、氣孔、夾渣、未熔合、焊瘤，沒有明顯的焊縫表面寬窄差、高低差，沒有超標余高、反面未熔透等焊接缺陷（欠）。

同樣，一條質量上乘的焊縫內部應該沒有裂紋、超標氣孔、超標夾渣、未熔合等焊接缺陷（欠）。

而線能量的大小決定和影響上述缺陷（欠）的產生。

以表面成形為例，當長弧焊接時，電弧電壓升高，即使在焊接電流不變的情況下，線能量也會增大，使焊縫變寬；長弧焊接很不穩定，容易使焊縫表面形狀不連續，極易造成表面焊縫的寬窄差和高低差，以及氣孔和焊瘤的產生。

焊縫的良好成形是焊縫質量的基本保證。焊縫的寬窄差、余高的高低差過大，不僅影響觀感質量，而且會使焊縫不連續，進而導致應力與應變不均勻，對焊縫質量有所影響。

即使電壓穩定，電流加大也會造成焊接缺陷，一般來說，在這個情況下，焊縫表面成形極易形成焊接應力集中的咬邊缺陷（欠），這是在有疲勞強度驗算要求的焊縫最不希望看到的。

在電弧電壓穩定（即短弧焊接）的情況下，使用小電流焊接時，如果線能量過小，導致焊縫冷卻速度過快，焊接的殘余氫來不及逸出而殘留在焊縫中，這就會增加冷裂紋的敏感性，導致延遲裂紋產生的概率增加。

應當特別指出的是：焊縫的表面絕對不允許有裂紋、夾渣、氣孔和未焊透缺陷，這些缺陷都會導致應力集中，從而影響焊接接頭的質量，所以用高標準控制焊縫的表面質量至關重要。

焊縫的控形指標即部分缺陷與施工工藝的關系見表1.3。

注：◎表示有明顯影響，○表示在一定條件下有影響，△表示關系很小。

表1.3中帶★號參數就是和線能量密切相關的參數，焊接線能量是焊縫控形的關鍵技術參數，焊接線能量過大參數配比不當所造成的部分缺陷（欠）見圖1.2。

圖1.2中各分圖解釋如下。

（a）下塌。焊根部的熔深過大，超過規定的極限。它可以是連續的，也可以是斷續的。

（b）焊瘤。焊接過程中，熔化金屬流淌到焊縫以外未熔化的母材表面上所形成的金屬瘤。

（c）根部內凹。由于收縮在對接焊縫根部出現的溝槽。

（d）燒穿。由于熔池的塌陷而在焊縫中形成的孔洞。

（e）咬邊。在沿著焊縫焊趾的母材部位或前一道焊縫上產生的溝槽或凹陷；通常情況下，它通過深度、長度和尖銳度來表征。

（f）焊縫寬度不均勻。焊縫寬度波動過大。

（g）焊條電弧焊（SMAW）電弧焊焊縫成形質量（從左到右）：①正常的電流、弧長和焊接速度；②電流太低；③電流太高；④弧長太短；⑤弧長太長；⑥焊接速度太低；⑦焊接速度太高。

在最佳線能量前提下，如果沒有焊接電流、電弧電壓、焊接速度三個參數的最佳配合，不可能得到最佳控形的焊縫質量。

（四）焊縫最少損害的控性指標和焊接線能量的關系

在建筑鋼結構焊接工程中，多年來，人們普遍認為NDT的結果是可靠的，一旦焊縫UT或RT檢驗合格后就“萬事大吉”，認為工程肯定合格。實際上，這是十分片面的，是不完全靠得住的結論。例如：當人們采用大線能量（大電流、慢焊速）焊接后，盡管UT、RT全部合格，由于焊縫及HAZ晶粒粗大，其綜合指標急劇下降，特別是沖擊韌度（ak）肯定不合格，而這種不合格不可能用肉眼直接觀察到，因此，有很大的隱蔽性，同時也是極大的質量隱患。這種情況如果在實際工程中經常發生，會影響工程質量，應當加以糾正。

焊縫由三個部分組成：焊縫金屬、熔合線、HAZ。焊縫金屬既不是母材，又不是焊材的熔敷金屬，其力學性能與材質的原始規定有較大的差距，這是因為焊縫的綜合性質受各方面因素的影響，其主要因素有以下幾種。

1.焊接層數的影響

在焊后冷卻過程中，焊縫從接近基本金屬開始凝固，單道焊的組織為典型的柱狀結晶，且共晶粒通常是與等溫曲線法向方向（即最大溫度梯度方向）長大。由于凝固是從純度較高的高熔點物質開始，所以在最后凝固部分及柱狀晶的間隙處，便會留下低熔點不純物質。在多層焊時，對前一道焊縫重新加熱，加熱超過900℃的部分可以消除柱狀晶并使晶粒細化。因此多層焊比單層焊的力學性能要好，特別是沖擊韌性有顯著的提高。

2.焊接線能量的影響

單道焊縫金屬，由于冷卻進度快，其強度有所上升，增加焊接熱輸入線能量，提高預熱和層間溫度，會導致冷卻速度降低，晶粒更加粗大，其結果是使焊縫金屬強度和韌性下降，所以，高強鋼出于強度和韌性的考慮，有必要限制其最低冷卻速度，但過快的冷卻速度往往會造成淬硬組織，產生冷裂紋，因此，對于高強鋼，限制其晶粒度的粗大，確定合理的冷卻速度，具有十分重要的意義。

3.基本金屬的稀釋率對焊縫強度的影響

在焊接接頭的設計中，首先要考慮焊材的選擇，以保證焊縫金屬所要求的強度，但必須強調，不應只要求焊縫的化學成分與母材的化學成分相同。這是因為，根據理論分析，焊縫成分與母材成分相同時，往往不能滿足設計指標的要求。因為焊縫與母材經歷的冶金過程不同，鋼材經冶煉澆鑄后，須進行再軋制，軋制后還要經過復雜的熱處理，方可滿足實際使用的技術要求。焊縫金屬主要是在鑄態條件下去滿足技術要求，有的工藝要求焊后進行熱處理，但這不可能同母材的熱處理過程一樣，沒有經過軋制的鑄態金屬焊縫往往只進行簡單的回火處理，其目的是消除殘余應力和進行軟化。換句話說，焊縫的性能主要靠成分的調整，而不是靠熱處理。焊縫金屬成分不等于焊接材料的成分，所謂焊接材料的成分，是指熔敷金屬的成分，是焊條、焊絲熔化后，在完全沒有母材參與的情況下所形成的焊后金屬。而實際的焊縫往往有母材參與，受熔合比的影響（熔合比是母材在焊縫中所占的比例）。

由于基本金屬（母材）也要參加冶金反應進而對焊接材料進行稀釋，其結果是基本金屬對焊縫金屬性能產生一定的影響，所以，焊縫金屬是熔敷金屬和熔融的基本金屬的混合物。其性能和基本金屬、熔敷金屬有所區別。在焊縫金屬中，基本金屬所占的比例取決于焊縫類型和焊接線能量，見圖1.3。

由于檢測力學指標和金相試驗是破壞性試驗，因此，焊縫的控性指標不可能在鋼結構焊接工程竣工后直接進行檢測，只能是靠全過程質量管理與控制來實現和保證，這是焊接控性技術的精髓，也是建筑鋼結構安全的根本保證。

焊縫的控性質量是焊接接頭最根本的質量指標，涉及焊接母材的焊接性和全面質量管理“人、機、料、法、環”五大管理要素和焊接全過程控制與管理，技術內涵十分豐富、復雜，是人們關注的重點。

焊縫是在不均勻的加熱和冷卻的冶金反應中形成的，影響焊縫治金性能的因素很多，且十分復雜。在眾多影響焊縫質量的因素中，焊接線能量是最重要的因素之一。焊接線能量的大小，決定冶金反應的各項指標，特別是二次結晶過程中的t8/5的長短，直接決定焊縫的冶金性能和力學性能。因此，焊縫的控性指標必須通過PQR、WPS對焊接線能量進行焊接工程全過程控制，每個工序必須按WPS技術要求嚴格執行才能實現。

（五）焊接線能量在焊接熱循環中的作用

事實上，焊接線能量和焊接二次結晶理論密切相關，焊接線能量直接影響其重要參數。

一次結晶結束后，熔池變為固體焊縫，高溫的焊縫金屬冷卻到室溫時，要經過一系列的相變過程，這種相變過程就稱為焊縫金屬的二次結晶。其主要影響參數有t8/5、t8/3、t100等，見圖1.4。

如圖1.4所示：t8/5是指800℃到500℃的焊接熔池冷卻時間；t8/3是指800℃到300℃的焊接熔池冷卻時間；t100是指焊縫的最高溫度冷卻到100℃所需的時間。這三個重要的技術參數雖然不在焊接規范中出現，但它們是保證焊縫質量的關鍵指標，在焊接工程實踐中是非常重要的技術參數。其中t8/5（t8/3）的大小決定HAZ及焊接接頭的綜合性能，是一個理論和實踐都很強的技術指標，因此，成為工藝研究重點，應當引起人們的高度重視，t8/5（t8/3）有多種確定方法，將在有關章節中進行闡述。

1.t8/5（t8/3）主要影響因素

t8/5（t8/3）主要影響因素有：板厚，焊縫接頭形式，焊接線能量，預熱、層（道）間溫度，母材物理性能。

t8/5（t8/3）過長或過短，都會對焊接接頭的綜合性能帶來一定的影響；冷卻時間的延長通常會導致沖擊性能的減少和熱影響區沖擊過渡溫度的上升，強度也會降低，而其降低的程度則取決于鋼材種類及化學成分。

2.t8/5（t8/3）對焊縫硬度有較大影響

t8/5（t8/3）冷卻時間對焊縫硬度有較大影響，其硬度在一定程度上也間接反映強度的變化，t8/5（t8/3）冷卻時間延長，硬度值減小。

3.t8/5（t8/3）對沖擊性能的影響

t8/5（t8/3）冷卻時間的延長通常會導致沖擊性能的減少和熱影響區沖擊脆性溫度的上升，強度也會降低，降低的程度取決于鋼材種類及其化學成分。

在實際焊接工程中，人們通過控制焊接預熱溫度和焊接線能量來獲得合適的t8/5（t8/3），進而獲得理想的焊接控性質量，由此可見，線能量在焊接熱循環中的作用舉足輕重。

4.t100的作用

在研究高強鋼焊接冷裂紋時可以發現，從峰值溫度冷卻到100℃的時間對冷裂紋有著十分重要的影響，故常用t100作為冷裂紋傾向的重要參數之一。目前尚未建立t100可靠的計算公式，主要通過試驗的方法測得。

不言而喻，焊接線能量的大小對t100也會產生很大的影響，t100越長，越有利于焊縫擴散氫的逸出，杜絕和減少延遲裂紋發生。但是，t100的延長必須增加焊接線能量，然而，焊接線能量的增加會導致焊縫及HAZ晶粒粗大，因而降低焊接接頭的綜合性能。這是一對矛盾，解決這一矛盾的方法是采用合適的焊接線能量和后熱（200～350℃）去氫處理工藝，這樣既保證了焊接接頭的綜合性能，又延長了t100，防止了焊接接頭氫致裂紋的發生。

（六）最佳焊接線能量和最佳焊接參數上、下限的確定

焊接線能量包含三個參數：焊接電流I（A）、電弧電壓U（V）、焊接速度v（cm/min）。焊接線能量的確定取決于鋼材的焊接性和焊接的工藝性。最佳焊接線能量和最佳焊接參數的確定，其依據是所焊鋼材的t8/5數據，而t8/5數據依據所焊鋼材的CCT圖或鋼材HAZ的冷脆傾向（含過熱脆化傾向）的程度來研究決定的。但是，理論推測和實際工程有一定的差距，這往往通過專項試驗進行判斷。

1.最佳t8/5的確定方法

焊縫金屬最佳t8/5與合金化程度有關，隨著焊縫合金化程度的提高，最佳t8/5應相應增大。選用不同的焊接材料，應具有相應的焊接工藝參數，以獲得最佳t8/5，方可使焊縫金屬獲得最佳的強韌性配合（可以斷定，對于焊縫而言，焊材的最佳t8/5未必會與母材HAZ適用的最佳t8/5一致）。

焊接線能量E的上、下限取決于t8/5的上、下限。而t8/5的上、下限的確定主要有兩種方法。

（1）實測法

通過抗裂試驗求得不產生冷裂紋的最小臨界t8/5。常用斜y試驗（小鐵研），或CTS抗裂試驗法。通過實際焊接試板，變化線能量，測定沖擊韌度，按相應判據（常溫至-40℃、27J或34J）確定t8/5的上限（也可以由焊接線能量E換算或實測）。

（2）CCT圖法

利用焊接母材的CCT圖可以估計t8/5的上、下限。但在估計t8/5的下限時，還應考慮HD（擴散氫）及RF（拘束度）的影響，并作必要的修正。

焊接連續冷卻組織轉變（Continuous Cooling Transformation）曲線圖，簡稱CCT曲線，是表征某焊縫及熱影響區金屬在各種連續冷卻的條件下轉變開始溫度和終了溫度、轉變開始時間和終了時間，以及轉變的組織、室溫硬度與冷卻速度之間關系的曲線圖。焊接連續冷卻轉變圖分為焊縫金屬連續冷卻轉變圖（簡稱焊縫金屬WM-CCT圖）和熱影響區連續冷卻轉變圖（簡稱焊接熱影響區SH-CCT圖）。由于焊接熱影響區SH-CCT圖應用比較廣泛，一般焊接CCT圖多指熱影響區SH-CCT圖。

因此，CCT曲線與實際生產條件相當近似，所以，它是制定工藝時的有用參考資料。根據連續冷卻轉變曲線，可以選擇最適當的工藝規范，從而得到恰好的組織，達到提高強度和塑性，防止焊接裂紋的產生等目的，對合理制定焊接工藝參數有重要的指導意義。

2.熱影響區CCT圖的表達形式

圖1.5給出的是相當于12Mn鋼熱影響區CCT圖的臨界冷卻曲線和臨界冷卻時間、、、。圖中的、、、分別表示從A3溫度冷卻到500℃開始出現中間組織（即各種貝氏類組織）、鐵素體、珠光體，以及僅得到鐵素體和珠光體組織的臨界冷卻時間（s）。、、、分別是由通過z、f、p、e點的臨界冷卻曲線與500℃等溫線的交點Cz、Cf、Cp、Ce向時間坐標軸投影得到的時間值。這些特征值對分析焊接熱影響區的組織很有意義，只要知道在實際焊接過程中熱影響區所有要研究部位的金屬從800℃冷卻到500℃的時間t8/5，對照臨界冷卻時間，就可以判斷熱影響區的顯微組織。

SH-CCT圖的應用：利用熱影響區CCT圖可以方便地預測熱影響組織、性能和硬度變化，預測某種鋼焊接熱影響區的淬硬傾向和產生冷裂紋的可能性。同時也可以作為調整焊接線能量、改進焊接工藝（焊前預熱和焊后熱處理等）的依據。

（1）推斷焊接熱影響區的組織和性能

只要得知被焊鋼材熱影響區某一部位的實際冷卻時間（t8/5），或在某個溫度下的冷卻速度，將其與該鋼焊接熱影響區CCT圖提供的臨界冷卻時間、、、或者臨界冷卻速度相比較，就能判斷所研究部位的組織和淬硬傾向。

以成分相當于12Mn的焊接熱影響區CCT圖為例（見圖1.5），對熱影響區組織的分析如下。

當時，在熱影響區熔合區附近可獲得全部馬氏體組織，硬度大于395HV。

當時，在熱影響區熔合區附近可獲得馬氏體+中間組織（ZW），硬度為350～395HV。

當時，在熱影響區熔合區附近可獲得M+ZW+F的混合組織，硬度為274～350HV。

當時，在熱影響區熔合區附近可獲得M+ZW+（F+P）的混合組織，硬度為195～274HV。

當時，在熱影響區熔合區附近僅得到F+P的混合組織，硬度小于195HV。

（2）間接評定鋼材的冷裂傾向

①用臨界冷卻時間評定鋼材的抗冷裂性。當實際冷卻時間，焊接熱影響區熔合區附近不產生裂紋；而當時，焊接熱影響區熔合區可能產生裂紋。臨界冷卻時間已被許多人接受。

②用臨界組織含量作為冷裂傾向的判據。使用低氫型焊條焊接低合金鋼，必須保證熱影響區熔合區附近具有以下組織比例，才能避免產生根部裂紋。

對于抗拉強度σb為600MPa的鋼，鐵素體+中間組織（ZW）含量應大于40％。

對于抗拉強度σb為700MPa的鋼，中間組織（ZW）含量應大于25％。

對于抗拉強度σb為800MPa的鋼，中間組織（ZW）含量應大于15％。

③用臨界硬度值作為冷裂傾向的判據。根據實際焊接條件，從某低合金高強鋼的焊接熱影響區CCT圖查出其硬度值，與該鋼允許的熱影響區最高硬度比較，就可以判斷其焊接冷裂傾向。實際測定值超過允許的最高硬度時，應考慮焊前預熱或焊后熱處理措施。

應當指出，熱影響區最高硬度試驗沒有將夾雜物或微觀缺陷等因素考慮在內，故不能直接用以判斷冷裂傾向，只能做粗略的初步評價。由于焊接連續冷卻組織轉變（CCT圖）是一種間接評定金屬焊接性的方法，它不能完全綜合實際焊接時各種復雜因素影響。為了可靠起見，在實際工程應用中應配合其他試驗。

（七）簡析用焊接工藝實際控制焊接線能量技術

建筑鋼結構焊接工程中，控制焊接線能量最佳工藝就是“多層多道錯位焊接技術”。

多層焊的焊縫質量比單層焊好，多層多道焊的焊縫質量比多層焊好，特別是板厚超過25mm時效果最明顯，因此，在厚板焊接時，首選多層多道焊技術。

所謂多層焊技術，不是一次成形，而是多層成形，焊接運條手法允許擺動，焊接厚度一般不控制，適合低碳鋼厚板焊接。

多層多道焊就是在多層焊的基礎上，焊接手法上不允許擺動，焊接厚度要明確規定，以限制焊接線能量。

1.多層多道錯位焊接技術

多層多道錯位焊接技術的顯著優點就是上一層次對下一層次進行了有效的熱處理。受焊接層數的影響，在焊后冷卻過程中，焊縫從接近基本金屬開始凝固，單道焊的組織為典型的柱狀結晶，且共晶粒通常是與等溫曲線法向方向（即最大溫度梯度方向）長大。由于凝固是從純度較高的高熔點物質開始，所以在最后凝固部分及柱狀晶的間隙處，便會留下低熔點夾雜物。在多層多道焊時，對前一道焊縫重新加熱，加熱超過900℃的部分可以消除柱狀晶并使晶粒細化。因此多層焊比單層焊的力學性能要好，特別是沖擊韌性有顯著的提高。值得一提的是，多層多道焊對焊接接頭的應力、應變控制相當有利，提高了焊接接頭的綜合性能指標。

多層多道錯位焊接技術的主要內容如下。

①規定：GMAW、FCAW-G的每一道焊縫寬不超過5mm（通常是在3～5mm之間）。

②SMAW用AV值來確定每一道焊縫的厚度（AV=一根焊條所焊焊縫的長度/一根焊條除焊條頭外的長度），通常AV≥0.5～0.6，見圖1.6。

③在立焊位置允許擺動，但限制擺幅。SMAW允許寬度為焊條直徑的3倍，GMAW、FCAW-G允許擺動15～20mm。

④多層多道錯位焊接技術就是在多層多道焊接技術的基礎上，加入焊接接頭每一道次錯位連接，即接頭不在一個平面內，通常錯位50mm以上。這種技術特別適合于高強鋼厚板的焊接。

2.多層多道錯位焊是控制線能量的最佳技術

在工程實踐中，人們為了追求工作效率，往往采用大電流的焊接方式。然而這是不靠譜的技術，因為從理論上說，采用大的電流，同時采用高的焊速可以獲得理想線能量，能夠在提高工效的同時保證焊接“控性”質量。但在實際工作中卻不完全是這樣，因為如果不采用自動焊工藝，光靠人工操作是達不到理論上的結果的，而在高的焊速情況下，工人操作難度卻大大增加，這體現在焊工精神高度緊張，一方面要操縱焊槍使之始終保低電弧狀態，另一方面要注意焊縫成形；然而人的控制能力和體力都是有限的，時間一長，焊接速度隨之下降，因而逐漸形成了“大電流、慢焊速”的大線能量工藝，使焊接接頭綜合性能大幅度下降，造成焊接接頭綜合性能下降，這是應當避免的。

焊接過程中，擺動電弧和采用“多層多道錯位焊接技術”的本質，就是線能量控制上的差異，兩者技術差別如下。

①擺動運條HAZ高溫停留時間長，線能量增加，導致晶粒粗大，影響焊接接頭的力學性能，特別是沖擊性能顯著下降。

②擺動運條由于對焊縫兩側反復加熱和冷卻，反復對根部焊縫和填充金屬加載，影響了焊接接頭的綜合性能。

③直線運條可使高溫在HAZ停留時間短，對焊縫沒有反復加載的作用，同時有效地防止偏析。

④屈服強度超過400MPa的高強鋼必須采用“多層多道錯位焊接技術”，使焊接接頭獲得良好的綜合性能。

上述結論是通過焊接專項試驗得出的。

3.工程案例

焊接專項對比試驗

①目的：論證運條法控制線能量在高強鋼焊接中的適應性。

②試驗方法。

a.選取兩組平焊試件（材質Q345C），焊縫坡口形式采用MC-BV-1，焊縫間隙為25mm。其中試件F1采用直線形運條法進行焊接；試件F2采用月牙形大擺動運條法進行焊接，焊接位置平焊（F）。

b.選取兩組立焊試件（材質Q345C），焊縫坡口形式采用MC-BV-1，焊縫間隙為25mm。其中試件V1采用鋸齒形大擺動運條法進行焊接；試件V2采用鋸齒形小擺動運條法進行焊接，焊接位置立焊（V）。

③試驗內容。

試驗焊接參數：對比試驗的焊接電流和電壓完全一致，由于運條方式不同，焊接線能量（熱輸入量）計算的結果也不同，見表1.4。

④焊接試板外觀。

試件F1采用直線形運條法進行焊接，試件F2采用月牙形大擺動運條法進行焊接，焊接位置平焊（F），試板外觀見圖1.7。

其試件V1采用鋸齒形大擺動運條法進行焊接，試件V2采用鋸齒形小擺動運條法進行焊接，焊接位置平焊（V），試板外觀見圖1.8。

⑤試板力學試驗結果。

試板經力學試驗，其結果見表1.5、表1.6。

力學性能的差異，特別是沖擊韌性的差距充分說明了兩種運條手法上的差距，由上可知，“多層多道錯位焊接技術”顯然有很大優越性。

⑥金相試驗結果。

平焊試板金相組織見圖1.9。

a.F1宏觀金相。采用冷酸法對試樣焊縫區域進行宏觀金相檢驗，經觀察焊縫區、熔合線和熱影響區均無微小裂紋、氣孔、夾渣等缺陷。

b.F1微觀金相。焊縫區：由片狀鐵素體+珠光體組成，組織均勻分布，晶粒度等級為10.8。熱影響區：由針狀鐵素體+珠光體組成，晶粒度等級為11.5。

c.F2宏觀金相。采用冷酸法對試樣焊縫區域進行宏觀金相檢驗，經觀察焊縫區、熔合線和熱影響區均無微小裂紋、氣孔、夾渣等缺陷。

d.F2微觀金相。焊縫區：由片狀鐵素體+珠光體組成，組織均勻分布，晶粒度等級為9.8。熱影響區：由針狀鐵素體+珠光體組成，晶粒度等級為10.5。

立焊試板金相組織見圖1.10。

e.V1宏觀金相。采用冷酸法對試樣焊縫區域進行宏觀金相檢驗，經觀察焊縫區、熔合線和熱影響區均無微小裂紋、氣孔、夾渣等缺陷。

f.V1微觀金相。焊縫區：由片狀鐵素體+珠光體組成，組織均勻分布，晶粒度等級為10.3。熱影響區：由針狀鐵素體+珠光體組成，晶粒度等級為10.5。

g.V2宏觀金相。采用冷酸法對試樣焊縫區域進行宏觀金相檢驗，經觀察焊縫區、熔合線和熱影響區均無微小裂紋、氣孔、夾渣等缺陷。

h.V2微觀金相。焊縫區：由片狀鐵素體+珠光體組成，組織均勻分布，晶粒度等級為10.7。熱影響區：由針狀鐵素體+珠光體組成，晶粒度等級為11.6。

金相組織結果比較，“多層多道錯位焊接技術”在立焊位置上的小擺動運條手法仍然占有優勢。

⑦結論。

“多層多道錯位焊接技術”控制焊接線能量效果良好，在建筑鋼結構焊接工程中，應大力推廣這一技術。

（八）焊縫“最精準的控形、最少損害的控性”同焊接線能量、焊接電流、焊接電壓、焊接速度之間的關系

在建筑鋼結構焊接工程中，人們總希望使用最佳的焊接參數，以獲得最佳t8/5指標和最好的焊縫“最精準的控形、最少損害的控性”焊接質量。

要把希望變成現實，理論上是簡單的，實際上是困難的。有人應用焊接線能量的公式和焊接線能量及焊接電流、焊接電壓、焊接速度之間存在正、反比的數學關系，從純粹計算焊接線能量的角度上理念出發，讓焊接電流、焊接電壓、焊接速度三個參數在很大范圍內變化，認為焊接線能量保持數字上的穩定，焊接線能量保持最佳上、下限，便“萬事大吉”，因此，毫無節制的變化三個參數，最后將不得其果。

實際上，這是一個很大的誤區，焊縫的“最精準的控形、最少損害的控性”的綜合指標的控制不是純粹的數學計算，因為，焊接線能量確定之后，焊接電流、焊接電壓、焊接速度同最佳t8/5一樣，有一個最佳配比，這是實現最佳焊接線能量和三個焊接參數最佳配比的雙控標準，是人們所追求的目標。

焊接工藝參數從兩方面決定了焊縫質量。一方面，焊接電流、電弧電壓和焊接速度三個參數合成的焊接線能量影響著焊縫的強度和韌性；另一方面，這些參數分別影響到焊縫的成形，也就影響到焊縫的抗裂性，對氣孔和夾渣的敏感性。這些參數的合理匹配才能焊出成形良好無任何缺陷的焊縫。對于操作者來說，最主要的任務是正確調整各工藝參數，控制最佳的焊道成形。因此，操作者應清楚地了解各工藝參數對焊縫成形影響的規律，以及焊接熔池形成，焊縫形成和結晶過程對焊縫質量的影響。

實現三個參數的最佳配比在埋弧焊（SAW）、機器人自動焊工藝（GMAW-CO2、FCAW-G）中，就有比人工操作較嚴格的要求。同自動焊相比，一個（SMAW）操作技術熟練的工人，控制焊接線能量最佳上、下限比較靈活，工人在焊接過程中，根據焊縫成形影響因素的實際情況，在焊接電流確定的前提下，不斷地調整焊接電壓（實際上調整電弧的長短）、焊接速度，使最佳焊接線能量上、下限實現動態平衡。否則，達不到焊縫綜合指標的技術要求。“多層多道錯位焊接技術”指標控制的實質就是根據所焊焊縫綜合指標的技術要求，強制焊工在調整好合適的焊接電流前提下，控制焊接電弧電壓和焊接速度，在焊接線能量的最佳范圍內，實現三個參數的最佳配比，從而獲得規定的良好的焊縫成形質量，這樣才能使焊縫的綜合性能達到優良。

通過焊接工藝評定以及力學金相試驗能夠確定最佳焊接線能量的上、下限（本書也稱寬容度）。確定了最佳焊接線能量后，在最佳焊接線能量上、下限中，要對焊接電流、焊接電壓、焊接速度進行合理搭配，只有這樣，才能獲得理想的焊縫“控形、控性”的綜合指標。1.建筑鋼結構埋弧焊（SAW）焊接電流、焊接電壓、焊接速度等工藝參數的選擇

在建筑鋼結構制作工廠中，埋弧焊（SAW）是最主要的焊接技術。據不完全統計，一個普通的鋼結構制作工廠，80％以上焊接工作量是由埋弧焊（SAW）完成的，因此，抓好埋弧焊工藝，對鋼結構制作工廠有著十分重大的現實意義。

埋弧焊的工藝特點如下。

第一，稀釋率高。在不開坡口對接縫單道焊或雙面焊以及開坡口對接縫的根部焊道焊接時，由于埋弧焊焊縫熔透深度大，母材大量熔化，混入焊縫金屬，稀釋率可高達70％。

第二，熱輸入高。埋弧焊是一種高效焊接方法，為獲得更高的熔敷率，人們錯誤地選用大電流焊接，因此，焊接線能量增加，焊接過程中就產生了高的輸入熱量，結果就降低了焊縫金屬和熱影響區的冷卻速度，延長了t8/5，降低了焊接接頭的強度和韌性。

第三，焊接速度快。埋弧焊一般的焊接速度為25m/h，最高的焊接速度可達到100m/h。在這種情況下，焊縫良好的成形不僅取決于焊接參數的合理配比，而且也取決于焊劑的特性，這是埋弧焊（SAW）與其他焊接方式不同之處。

根據上述特點，焊接工藝參數的制定應以相應的焊接工藝試驗結果或焊接工藝評定試驗結果為依據。

埋弧焊工藝參數分為主要參數和次要參數。主要參數是指那些直接影響焊縫質量和生產效率的參數，它們是焊接電流、電弧電壓、焊接速度、電流種類、極性和預熱溫度等；對焊縫質量產生有限影響或無多大影響的參數為次要參數，它們是焊絲伸出長度、焊絲傾角、焊絲與工件的相對位置、焊劑粒度、焊劑堆散高度和多絲焊的絲間距離等。有關操作技術的參數還包括引弧和收弧技術、焊接襯墊的壓緊力、焊絲端的對中以及電弧長度的控制等。

（1）焊縫形成和結晶過程的一般規律

焊縫的形成是焊接熔池建立、熔池連續前移和凝固的過程，焊縫縱向和橫向截面的形狀是由熔池的瞬態形狀決定的。在埋弧焊時，焊絲與母材在電弧熱作用下熔化，形成液態金屬熔池，其形狀和尺寸如圖1.11所示。

決定于電弧的熱能即焊接線能量，熔池尺寸的大小與電流電壓的乘積成正比，與焊接速度成反比。

埋弧焊（SAW）焊縫的形狀通常是焊縫橫截面的形狀，如圖1.12所示。以熔深H、熔寬B和余高a三個尺寸量表征。為保證焊縫的機械強度，焊縫必須有足夠的熔深。但大量的實驗結果和生產經驗證明，焊縫的熔深H與熔寬B及余高a應成適當的比例。

通常焊縫的形狀以形狀系數φ=B/H和增厚系數B/a來表征。小的形狀系數表示焊縫橫截面形狀深而窄，易出現熱裂紋和氣孔；大的形狀系數表示焊縫橫截面淺而寬，易形成未焊透或夾渣。因此，形狀系數應有一個合適的范圍。對于埋弧自動焊焊縫，通常應將形狀系數控制在1.3～1.5（單層），增厚系數應控制在4～8，以使接頭具有足夠的靜載和動載強度；增厚系數過小，即焊縫余高過大，則將降低接頭的動載強度。

上述焊縫形狀對焊縫質量的影響與焊縫的結晶密切相關。焊縫金屬的結晶總是以熔池底部邊緣母材半熔化狀態的晶粒為晶核，晶體生長反向于散熱方向，即垂直于熔池壁方向，故焊縫金屬的結晶方向取決于熔池的形狀。在形狀系數φ小的焊縫中，從兩側生長的晶粒幾乎對向相交于焊縫中心，結果使低熔點雜質聚集于該部位而極易誘發裂紋和氣孔等缺陷。在形狀系數較大的焊縫中，其結晶方向有助于將低熔點雜質推向焊縫頂部，如圖1.13（a）所示，因而可抑制裂紋和氣孔的產生，從焊縫的縱向截面看，熔池底部越細長，兩側生長的晶粒在焊縫中心的夾角越大，焊縫中心的雜質底部如呈橢圓形，就不易出現縱向熱裂紋。因此，控制焊縫形成是防止焊縫缺陷形成的先決條件，富有經驗的焊工，可從焊縫的外形判斷焊縫內部是否存在缺陷，并通過規范參數的調整，使焊縫達到最佳的成形。

（2）焊接工藝參數對焊縫成形的影響

影響焊縫成形的主要因素是焊接電流、電弧電壓、焊接速度、電源種類及其極性。

①焊接電流。

焊接電流是決定焊絲熔化速度、熔透深度和母材熔化量的最重要的參數。焊接電流對熔透深度影響最大，焊接電流與熔透深度幾乎是直線正比關系。圖1.14示出I形對接焊和Y形坡口對接焊時，焊接電流和熔透深度的關系曲線。以數學式表示如下：

H=kmI　?。?.2）

式中　H——熔透深度；

km——熔透系數；

I——焊接電流，A。

熔深系數km取決于焊絲直徑和電流種類。對于ф2mm直徑的焊絲。km=1.0～1.7；對于ф5mm焊絲，km=0.7～3；采用交流電埋弧焊時，km一般在1.1～1.3范圍之內。

焊接電流對焊縫橫截面形狀和熔深的影響示于圖1.15，即在其他參數不變的條件下，隨著焊接電流的提高，熔深和余高同時增大。焊縫形狀系數變小，為防止燒穿和焊縫裂紋，焊接電流不宜選的太大，但電流過小也會使焊接過程不穩定，并造成為焊透或未熔合，因此，焊接電流對于不開坡口對接焊縫，按所要求的最低熔透深度來選定即可，對于開坡口焊縫的填充層，焊接電流主要按焊縫最佳的成形為準則來選定。

此外，焊絲直徑決定了焊接電流密度，因而也對焊縫橫截面形狀產生一定的影響，采用細焊絲焊接時，形成深而窄的焊道，采用粗焊絲焊接時，則形成寬而淺的焊道。

②電弧電壓。

電弧電壓與電弧長度成正比關系。在其他參數不變的條件下，隨著電弧電壓的提高，焊縫的寬度明顯增大，而熔深和余高則略有減小。電弧電壓過高時，會形成淺而寬的焊道，從而導致未焊透和咬邊等缺陷的產生。此外，焊劑的熔化量增多，使焊波表面粗糙，脫渣困難。降低電弧電壓，能提高電弧的挺度，增大熔深。但電弧電壓過低，會形成高而窄的焊道，使邊緣熔合不良。電弧電壓對焊縫形狀的影響示于圖1.16。

為獲得成形良好的焊道，電弧電壓與焊接電流應相互匹配。當焊接電流加大時，電弧電壓應相應提高。

③焊接速度。

焊接速度決定了每單位焊縫長度上的熱輸入能量，在其他參數不變的條件下，提高焊接速度，單位長度焊縫上的熱輸入能量和填充金屬量減少。因而使熔深、熔寬及余高都相應地減小，如圖1.17所示。

焊接速度太快，會產生咬邊和氣孔等缺陷，焊道外形惡化。如焊接速度太慢，則可能引起燒穿。如電弧電壓同時較高，則可能導致橫截面呈蘑菇形焊縫。而這種形狀的焊縫對人字形裂紋或液化裂紋敏感。圖1.18示出這種焊縫中產生的典型凝固裂紋。此外，還會因熔池尺寸過大而形成表面粗糙的焊縫。為此，焊接速度應與所選定的焊接電流、電弧電壓適當匹配。

（3）SAW焊接參數實例

①焊材選配與準備。焊絲、焊劑等焊接材料與母材的匹配，應符合設計要求及現行國家標準GB 50661—2011《鋼結構焊接規范》的規定（見表1.7），焊劑在使用前，應按其產品說明書及焊接工藝文件的規定進行烘焙和存放。

①薄板I形坡口對接。

②中、厚板坡口對接。

③供需雙方協議。

②焊接工藝評定試驗。焊接工藝評定試驗應按現行國家標準GB 50661—2011《鋼結構焊接規范》的規定實施，由具有國家技術質量監督部門認證資質的檢測單位進行檢測試驗。2.建筑鋼結構CO2氣體保護電弧焊（GMAW-CO2、FCAW-G）焊接電流、焊接電壓、焊接速度等工藝參數的選擇

CO2氣體保護電弧焊（GMAW-CO2、FCAW-G）是通過電極（焊絲）與母材間產生的電弧熔化焊絲及母材，形成熔池金屬。電極、電弧和焊接熔池是靠自焊槍噴嘴噴出的保護氣體來保護，以防止大氣的侵入，從而獲得完好接頭。

CO2氣體保護電弧焊（GMAW-CO2、FCAW-G）同焊條電弧焊相比，操作技術相對簡單，工效提高3倍以上，所以是焊接機器人首選的焊接方式。

（1）焊接工藝及焊接技術

熔滴過渡形式的種類及特點：

CO2氣體保護焊有三種熔滴過渡形式：第一種是較小電流、較低電弧電壓下的短路過渡；第二種是較大電流、較高電弧電壓下的射滴過渡（細顆粒過渡）；第三種是介于上述二者之間的半短路過渡（混合過渡）。

①短路過渡。

焊絲端部的熔滴與熔池短路接觸，由于強烈過熱和電磁頸縮力的作用使其爆斷，直接向熔池過渡的形式稱為短路過渡。

短路過渡是在較小焊接電流和較低電弧電壓條件下發生的熔滴過渡形式。

短路過渡過程如圖1.19所示。電弧燃燒后，焊絲熔化并在端頭形成熔滴［見圖1.19（e）］。由于焊絲迅速熔化而形成電弧空間，其長度決定于電弧電壓的大小。隨后，熔滴體積逐漸增加而弧長略有縮短［見圖1.19（f）］。隨著熔滴的不斷長大，電弧向未熔化的焊絲方面傳入的熱量減小，因此焊絲熔化速度降低［見圖1.19（g）］。由于熔滴與熔池都在不斷地起伏運動著，從而增加了熔滴和熔池的接觸機會。接觸時即使電弧空間短路［見圖1.19（h）、（a）］，同時電弧熄滅，電弧電壓急劇下降而接近于零，而短路電流開始增大，在焊絲與熔池之間形成液體金屬柱［見圖1.19（b）］。隨著短路電流的不斷增大，它所引起的電磁頸縮力強烈地壓縮液柱，同時表面張力促使液柱熔池流動，因而形成縮頸，即所謂“小橋”［見圖1.19（d）］。隨后該“小橋”由于過熱汽化而迅速爆斷，電弧電壓迅速恢復到空載電壓以上，電弧重新燃起而重復上述過程。

短路過渡一般適用于ф1.2mm以下的細絲，最穩定的電弧電壓范圍比較窄，通常為20V±2V的范圍。

短路過渡具有如下焊接特點：

a.焊接過程中伴隨有少量飛濺；

b.焊道熔深較小而余高較大；

c.焊接變形較?。?/p>

d.適合于采用細絲（≤ф1.2mm）進行薄板及空間位置焊接。

②射滴過渡。

熔滴尺寸與焊絲直徑相當的情況下，以較高的速度通過電弧空間的過渡形式稱為射滴過渡。

射滴過渡是較大焊接電流和較高電弧電壓條件下發生的熔滴過渡形式。

在較大焊接電流和較高電弧電壓下，隨著電流的增加，熔滴尺寸并不增加，反而減小，而且焊絲端頭逐步深入到熔池凹坑內，熔滴過渡形式轉為接近軸向過渡的所謂射滴過渡［見圖1.20（b）］。

射滴過渡時不再有短路現象發生，焊接過程較為穩定，焊接飛濺比較小，這種射滴過渡國內習慣上稱為“細顆粒過渡”。國外常稱為“非軸向射流過渡”。

概括起來，射滴過渡具有如下特點：

a.熔滴較細；

b.過渡頻率較高，為非軸向過渡；

c.焊道熔深較大；

d.飛濺較小，成形較好；

e.焊絲溶化效率較高，適于采用粗絲（ф1.6mm以上）進行中厚板的焊接。

③半短路過渡。

焊接電流和電弧電壓等參數處于短路過渡和射滴過渡之間時，或者說采用中等工藝參數時，即可發生半短路過渡形式。

半短路過渡即是短路過渡的基礎上，再增加焊接電流和電弧電壓，這時焊絲端頭的熔滴隨之長大，短路次數減少，短路時間縮短，非短路過渡的比例增加，熔滴呈大滴排斥特點［見圖1.20（a）］。這是一種短路過渡與非短路過渡相混合的過渡形式，焊接過程不穩，飛濺也較大。這種過渡形式國內習慣上稱為大顆粒過渡，生產中一般不被采用。

（2）主要焊接參數的影響及其合理選擇

CO2氣體保護焊的主要工藝參數有焊絲直徑、焊接電流、電弧電壓、焊接速度、氣體流量、電流極性和焊絲伸出長度等。

①焊絲直徑。

CO2氣體保護焊所用焊絲直徑范圍較寬，ф1.6mm以下的焊絲多用于半自動焊，超過ф1.6mm的焊絲多用于自動化焊接。

通常根據工件的板厚和焊接位置來選擇焊絲直徑（見表1.8），一定的焊絲直徑又與一定的焊接電流相適應（見表1.9）

ф1.0mm以下焊絲的熔滴過渡以短路過渡為主；ф1.2～1.6mm的熔滴過渡形式可為短路過渡和射滴過渡；ф2.0mm以上的粗絲通常是射滴過渡。

從焊接位置上看，細絲可用于平焊和全位置焊接，粗絲則只適于水平位置焊接。

從板厚看，細絲適用于薄板，可采用短路過渡；粗絲適用于厚板，可采用射滴過渡，采用粗絲焊接既可提高效率，又可加大熔深。另一方面，在焊接電流和焊接速度一定時，焊絲直徑越細，焊縫的熔深便越大。

②焊接電流。

焊接電流是影響焊接質量的重要工藝參數，它的大小主要取決于送絲速度，隨著送絲速度的增加，焊接電流也增加（見圖1.21）。另外，焊接電流的大小還與焊絲伸長、焊絲直徑、氣體成分等有關，當噴嘴與母材間距增加時，焊絲伸長增加，焊接電流減少（見圖1.22）。

焊接電流對焊縫的熔深和焊縫成形均有較大影響。無論是平板堆焊還是開坡口的焊縫，都是隨著焊接電流的增加，熔深也增加（見圖1.23）。但焊接電流在250A以下時，焊縫熔深較小，一般為1～2mm；當電流超過300A后，熔深明顯增大。通常，Ⅰ形對接坡口時，若假設間隙為0時，熔深為100％；間隙為0.5mm時，熔深為110％；間隙為1.0mm時，熔深為125％。如間隙為2mm以上時，就會燒穿。V形坡口對接焊時也有類似的情況。

平板堆焊時，不同焊接電流的焊縫成形如圖1.24所示。當焊接電流增加時，焊縫熔深和余高均會增加，而熔寬增加不多。

CO2氣體保護焊中，針對被焊件的板厚并兼顧焊接位置來選擇適宜的焊接電流十分重要。特別是在半自動焊時，通常焊絲較細，因而焊接線能量較低。所以在厚板焊接時，為保證熔深和坡口面的良好熔合，在保證飛濺不過大的前提下，應盡可能采用稍高些的焊接電流。

③電弧電壓。

電弧電壓時電弧兩端之間的電壓降，在CO2氣體保護焊中可認為導電嘴到工件之間的電壓。這一參數對焊接過程穩定性、熔滴過渡、焊縫成形、焊接飛濺等均有重要影響。

短路過渡時弧長較短，隨著弧長的增加，電壓升高，飛濺也隨之增加。再進一步增加電弧電壓，可達到無短路的過程。相反，如降低電弧電壓，則弧長縮短，甚至引起焊絲與熔池的固體短路。

可以根據所采用的焊接電流的大小，計算出電弧電壓的近似值。如焊接電流在200A以下，主要是短路過渡，電流電壓可由下式計算：

U=0.04I+16±2　?。?.3）

當焊接電流在200A以上時，主要是射滴過渡，電弧電壓可由下式計算：

U=0.04I+20±2　?。?.4）

粗絲情況下，焊接電流在600A以上時，電弧電壓一般為40V左右。

細絲CO2氣體保護焊的電弧電壓與焊接電流的匹配關系如圖1.25和表1.10所示。上述的電弧電壓計算公式，在采用加長焊接電纜時，可按表1.11的數值加以修正。

電弧電壓對焊縫成形的影響如圖1.24所示。電弧電壓升高，熔深變淺，熔寬增加，余高減小，焊趾平滑；相反，電弧電壓降低，則熔深變大，焊縫變得窄而高。

④焊接速度。

焊接速度與電弧電壓和焊接電流之間，也有一個相應的關系，在一定的電弧電壓和焊接電流下，焊接速度與焊縫成形的關系如圖1.26和圖1.27所示。

由圖可見，焊接速度增加時，焊縫的熔深、熔寬和余高均較小，即稱為凸起焊道。焊接速度若過快，易出現咬邊缺陷。為防止這種情況，應適當增加焊接電流、減小弧長，并使焊槍帶有前傾角進行施焊。

焊接速度慢時，焊道變寬，甚至出現液態金屬導前，造成焊瘤缺陷。

半自動焊時，適當的焊接速度為30～60mm/min。過慢或過快的焊接速度都為操作帶來困難。自動焊時，由于能嚴格控制工藝參數，焊接速度可適當提高。

（3）建筑鋼結構GMAW焊絲選配（見表1.12）。

（九）工程案例及焊接專項試驗研究

1.工程案例

正確應用Av理論控制線能量成功的工程案例

1983～1984年，上海寶鋼一期工程——焦化、煉鐵、煉鋼修建了一批干式煤氣柜。當時組成是：焦爐煤氣柜一個，高爐煤氣柜兩個，轉爐煤氣柜一個。在焦爐煤氣柜的底板施工中，由于日方專家（S/V）粗枝大葉，指導失誤，中方焊工沒有經驗，拼搶工期，造成底板發生很大變形，處理十分困難，事實上宣告了焦爐煤氣柜底板焊接工藝的失敗。

高爐煤氣柜容積為15000m3，是當時全國最大的干式煤氣柜，也是我國第一次在日方專家（S/V）指導下，自行建造的大型干式煤氣柜；施工單位汲取兄弟單位的經驗教訓，應用曾樂先生的有關焊接應用理論，經過研究和現場大規模試驗，創造出“高爐煤氣柜底板焊接新工藝”，從而獲得成功。贏得了領導和日本專家（S/V）的高度稱贊；從此，這套理論和工藝跟隨上海寶鋼冶金建設公司南征北戰，屢戰屢勝，屢建奇功。30年后，這套理論和工藝仍然沒有落后，完全能夠指導相同或者相似工程。

（1）具體內容

控制大面積薄板焊接工程中焊接變形的有效途徑

摘要：在大面積薄板焊接工程中，焊接變形量的大小是衡量該工程成功與否的重要標志，也是工程質量好壞的關鍵，因此控制焊接變形是人們十分重視而致力于研究的課題。本文就寶鋼高爐煤氣柜底板焊接工程的成功經驗和失敗教訓闡述控制薄板焊接變形的一些行之有效的方法及一些粗淺的見解，旨在類似工程借鑒和參考。

①問題的提出。

控制大面積薄板焊接工程的焊接變形不能單一行事，而應綜合治理。實踐經驗告訴我們，焊接工程中的焊接變形和焊后殘余應力并不是兩種孤立的現象。兩者之間的聯系是有機的，它們同時存在于同一焊件，相輔相成又相互制約。能量守恒及轉換定理是前述觀點最有力的理論依據。

為了清楚地闡明上述觀點，我們做一定性分析，并從中提出貫穿整個工程的指導思想。

假設一焊件通過焊接加工獲得總能量為W總，焊縫冶金反應所用能量為W有，焊接中能量損失為W損，焊接變形所需能量為ε，焊接殘余應力所耗能量為δ殘，那么它們之和應用下式表達。

W總=W有+W損+ε+δ殘=1　　（1.5）

根據式（1.5）得

ε+δ殘≈C<1　?。?.6）

式（1.6）表達了當焊接工程結束時同一焊件的兩種能量存在形式，可以這樣認為，ε和δ殘之和是小于1的近似常量，在一定條件下兩者可以相互轉換并相互制約，于是式（1.6）具有工程上的應用價值。

在實際工程中，要想獲得成功，只能使ε和δ殘都以一種合理的狀態同時存在，減少一方必須增加另一方，最好的結果是不至于破壞，而工程又沒有過大的ε。這就是高爐煤氣柜底板焊接工程的基本指導思想，是被實踐證明了的正確的指導思想，為了進一步說明這一思想的正確性，以高爐煤氣柜底板工程為例進行分析和闡述。

②高爐煤氣柜底板工程概況。

寶鋼共有兩座15000m3全國最大的干式煤氣柜，每個煤氣柜底板直徑為50m，面積為2059m2，焊縫總長度為1300m。

煤氣柜底板焊接工程是十分典型的大面積薄板焊接工程。底板由中心板和內外環縫板組成。中心區鋼板厚δ=3.2mm，共用201塊搭接而成，外環狀板采用δ=9mm鋼板，共32塊，內環狀板采用δ=6mm鋼板，其32塊對接而成，底板的材質為Q235，其具體組成見圖1.28。

由于底板的面積大，技術要求高，焊接工程具有相當的難度。該工程采用S/V推薦的檢驗標準，要求整體底板水平變形失高允許值為50mm，目標值為40mm，焊縫100％真空檢漏。

在工程實踐中，由于采用了正確的指導思想，推行全面質量管理，工程取得了十分理想的結果。所有焊縫經過100％的真空檢漏，全部合格，兩個柜底共測192點，變形失高全部在目標值以下，該工程評為冶金部全優工程。

③焊接工藝及剖析。

正確的指導思想是通過正確的工藝來實現的，對焊接工藝的剖析可以更加清楚地闡述指導思想。

雙方在S/V工藝基礎上經過友好協商所產生的新工藝，簡稱中方工藝，見表1.1。表1.1中有兩大部分，即底板中心薄板區域和底板環狀帶。在底板環狀帶7、8兩項中，二號柜施工中，S/V堅持他們的意見而造成工程的失敗，外環縫撕裂，立柱變形，造成一定損失，而一號柜獲得了成功。表1.13中有關中方的工藝是在工程中得到證實并具有應用價值的工藝。

a.中心區焊接工藝。

在底板鋪設的同時，全部搭接焊縫進行點焊，使之成為一個整體。

按圖1.28，中心區共分A、B、…、H區，按編號1、2、3、…順序進行焊接。

全部焊縫以中心區向四周推進。

按圖1.28各區分界線，待各區焊完后，按1、2、…的順序焊接。

焊接交叉部留出200mm左右先不焊，其他焊縫焊完后再補焊。

環狀帶（一號柜）按圖1.28中1、2、3順序焊接。

上述內容同表1.13組成了完整的工藝。

前文所述，減少焊接變形必須增加焊后殘余應力，即ε增加δ殘減少。增加δ殘的外部條件是增加對焊縫的約束，造成約束應力。焊縫全部點固的目的是利用鋼板的自身重量來形成對焊縫的約束力。鋼板經點焊之后，剛性增加。很顯然，通過焊接，δ殘增加而ε減少，從而達到減少變形的目的。

工程的實踐也證實了這一點。底板連成一體后，在焊接過程中由于δ殘增加，各點焊處都要承受一定的拉力，由于焊接不可能完全對稱，各部位的約束情況也不完全一致，點焊的強度也不統一。凡是點焊強度差的地方，哪怕是離焊縫很遠的地方也有被拉開的危險。當補焊處被拉開后，接近焊縫的變形量往往大于其他地方，可以認為，點焊縫拉開后，約束力降低，焊縫中δ殘下降，ε也就相應上升。這一規律的發現檢驗了我們認識的正確性。

b.焊接參數的確定以及AV值的具體應用。

表1.13中第4條明確指出，控制AV值，限制熱輸入這是因為：薄板焊接同厚板焊接是同一領域的兩個技術分支，最顯著的區別是在熱輸入的控制上，在薄板焊接中熱輸入越小越好，在焊條電弧焊中熱輸入的概念十分抽象，難以定量計算，為了使熱輸入在工程中直接度量，從曾樂先生的《焊接工程學》中引入了AV值這一科學指標，見圖1.29。

工程實際中，我們按“AV=一根焊條焊接長度/一根焊條的長度（除焊條頭）”計算AV值。

由于我們采用了AV值，大大方便了現場的技術管理在工程中，焊工只需按焊腳尺寸焊完一根焊條，用直尺一量即可知熱輸入的大小，這樣把繁雜的計算變得簡單易行，使工程質量得到了有效的控制。

為了使AV值同其他參數有一個明確的對照，同時搞清AV值同變形失高的具體關系，我們做了一個模擬試驗（試板尺寸為2000mm×3.2mm），其結果見表1.14。

從表1.14可以得出結論：3號試件的參數是最理想的，于是工程中采用了3號試件的參數，并規定AV≥1的具體指標。同時，也可以發現，如果采用計算的方法，其結果肯定有誤差，因此計算熱輸入的方式在焊條電弧焊中是不科學的，而AV值是有應用價值的。涉及具體焊縫，采用了分段倒退跳焊法，使工程獲得比較理想的結果。

c.環狀帶焊接工藝剖析。

在環狀帶的焊接中，日方工藝和中方工藝取得完全不同的結果，證明了日方工藝的錯誤和中方工藝的正確。

表1.13中第8點日方工藝是錯誤的，他們想用環狀板同立柱連為一體后，利用立柱側板的剛度使縱焊縫的收縮產生對中心底板的拉力，使中心底板的變形失高降低到最低程度?？墒撬麄兒鲆暳藘蓚€重要環節：其一，環狀板變形的總趨勢是直徑方向的縮小，對中心底板只有壓力而無拉力。其二，實際中坡口間隙過大，最小為8mm，最大為16mm，必將帶來很大的收縮量，在高約束條件下，其δ殘相當大，足以破壞整體結構，這就是日方工藝錯誤的關鍵所在。

為了證實我們的分析，將環縫的收縮量做一定量計算。在對接焊縫中，其收縮量應按下式計算。

式中　ΔY——焊縫的收縮量；

AN——焊縫的截面積；

δ——母材的厚度。

根據式（1.7）可得

ΔYmax=4.28mm

ΔYe=136.98mm

反應在直徑方向的收縮應由下式計算：

式中　Δфmax——直徑方向的最大收縮量；

D——煤氣柜底板直徑，取51.2m。

根據式（1.9），可得Δфmax=43.62mm。

計算是依據坡口間隙的最大值計算的，為煤氣柜底板直徑方向的收縮趨勢，完全可以肯定地說，在直徑方向有收縮43.62mm的可能性，是足以破壞整體結構的。

很顯然日方工藝是錯誤的，中方工藝的正確還在于理論指導正確。環狀板已經超出了我們認為的薄板的范疇，這時焊接變形的大小是次要的，而焊接殘余應力的減少是主要的，因此控制δ殘減少結構的拘束，從而降低δ殘值，在一號柜的施工中獲得了成功。

在煤氣柜底板焊接中，還有很多輔助工藝，比如：錘擊、壓輪、卡馬等。在眾多措施中起決定性作用的有兩條：

其一，嚴格按圖1.29的分區及焊接順序焊接，不得違反；

其二，嚴格控制AV值，AV≥1。

這兩條望同行在工程中進行驗證，并嚴格遵守。

d.結論。

文中提出的指導思想在寶鋼高爐煤氣柜底板工程中得到充分的應用并獲得了成功，工程實踐告訴我們，大面積薄板焊接變形的控制必須綜合治理。對焊接變形和焊后殘余應力的控制必須針對具體板厚進行，其原則是根據板厚來區別。高爐煤氣柜的底板屬于薄板范疇，超出其厚度則不屬于這個范疇，同此變形和殘余應力的控制各有側重，在工程中正是貫穿了這一基本思想而獲得成功。本文所述的中方工藝是十分成功的，具有推廣價值。

（2）工程案例分析

不可否認：當年（30年前）高爐煤氣柜底板焊接工程十分成功，筆者認為成功的關鍵有兩點。

①應用了曾樂先生《焊接工程學》中的AV值理論，把難以準確計算的SMAW焊接線能量指標變成為易于度量的參數，重點是嚴格控制了焊接線能量，創造了薄板焊接工程的新工藝，從而有效地減少了焊縫收縮量。

目前AV值廣泛應用在建筑鋼結構厚板焊接技術中，可以說，寶鋼高爐煤氣柜底板焊接工程中首次使用的AV理論已經開花結果；不過由于人們對焊接技術認識上的誤區，AV值的應用尚不普及，特別是沒有出現在我國相關專業的教科書中，不能不說是一個遺憾。

②寶鋼高爐煤氣柜底板焊接工程另一個成功經驗是成功地控制了焊接應力應變；施工單位沒有鉆牛角尖，而是巧妙地運用焊接應力和焊接變形相互轉換其值不變的新觀點，運用底板自身重量（固定焊在一起），形成約束，成功地限制了焊接變形。

寶鋼高爐煤氣柜底板焊接工程的這一思想，把宏觀力學的控制和微觀焊接形變有機地組合在一起，貫穿整個工程，并根據不同的狀況，對焊接應力與應變有針對性地選擇增加和降低，恰到好處，十分成功，從而形成了新的焊接應用技術理論，這肯定是焊接應用技術理論的一次突破。

目前，這套理論十分成功地在建筑鋼結構焊接工程中得到了應用。

筆者認真看完自行完成的文章，確認日S/V意見沒有完全錯，有必要告訴讀者，經認真分析：表1.13底板中心薄板區域第6條，日方S/V指導工藝是正確的，當時寶鋼高爐煤氣柜沒有磨開，所以這項有爭議的技術要求沒有實施，只有焊縫固定焊被拉開的案例。事實上，只要拉開焊縫，約束變小，焊接變形肯定增加。筆者在以后的工程中采納了日方（S/V）的觀點，取得很好的效果，特此說明。

2.專項試驗研究

埋弧焊線能量對Q345qD鋼焊接接頭性能的影響

（1）研究背景

Q345qD作為橋梁用結構鋼，在鋼橋建設中廣泛應用。目前關于埋弧焊線能量對該鋼種焊接接頭性能的研究卻少見報道，本研究通過焊接接頭力學性能試驗和顯微金相分析，對該課題進行了研究。

（2）研究材料

母材：Q345qD，板厚為16mm。

焊材：焊絲為H08Mn2E，ф4.8mm；

焊劑為SJ101q。

焊接設備：MZ-1000。

母材及焊絲化學成分見表1.15，焊劑的化學成分見表1.16，母材及焊材熔敷金屬的力學性能見表1.17。

（3）研究方法

圖1.30所示為試板組裝以及焊接程序示意圖。通過改變焊接電流和焊接速度來改變焊接線能量，采用三組試板使線能量由高逐漸下降，然后分析接頭力學性能數據和顯微金相照片，從而找出線能量對接頭性能影響的規律（圖1.31）。

三組試板焊接線能量見表1.18。

試板焊后按照GB/T 11345《鋼焊縫手工超聲波探傷方法和探傷結果分級》進行超聲波探傷，均合格。

（4）試驗結果

不同線能量各試板接頭的力學性能和沖擊性能見表1.19、表1.20。

圖1.32是各試板的焊縫組織，1﹟試板焊縫組織為粗大的板條狀先共析鐵素體和珠光體及少量針狀鐵素體，且伴有魏氏組織，柱狀晶比較粗大，還有很多合金元素形成的彌散分布的第二相粒子；2﹟試板焊縫組織主要是先共析鐵素體和珠光體，針狀鐵素體組織增加，柱狀晶細長晶粒細化，有少許第二相粒子；3﹟試板焊縫組織為細長條狀的先共析鐵素體和珠光體交錯分布，針狀鐵素體比例進一步增加，晶粒細小均勻，焊縫金屬的整體組織細化。

（5）試驗結果分析

焊接線能量大，高溫時間停留長，晶粒擴張、合金元素擴散，時間充分。（其結果）晶粒粗大化，第二相粒子彌散形成；反之，晶粒細化，第二相不能形成。

本實驗中1﹟試件焊縫彌散分布著第二相粒子，3﹟試件焊縫晶粒最為細小，而2﹟試件兼具前兩者的特征，故2﹟試件的強度最高。韌性只取決于晶粒的大小，三組試件隨著線能量的降低，晶粒逐步細化，所以沖擊功也是逐步提高的。

（6）結論

①大線能量焊接時，合金元素有充分時間擴散，形成第二相彌散分布，將提高強度，降低線能量焊縫金屬晶粒得以細化，強度也將得到保障。

②大線能量焊接時，焊縫中產生沿奧氏體晶界分布的先共析鐵素體，線能量降低時，形成以針狀鐵素體為主的組織。因此，降低線能量，將有利于提高焊縫金屬的低溫韌性。

③對于16mm的Q345qD鋼板，埋弧焊線能量不能超過28kJ/cm。