H型钢焊接工艺

1、前 言目前许多大跨度的建筑都采用了钢结构，鸟巢、世博会中国馆、厂房等一些大型的公用建筑基本上都是钢结构建筑。这种结构坚固耐久，建造迅速，易于改建，便于拆除，是住宅建筑和结构发展的重要趋势。随着我国钢产量的快速增长，新型建材的发展和应用，符合上述需求的钢结构住宅体系逐步发展起来并引起了广泛的关注。H型钢是钢结构重要组成部分，它的生产制造对整个钢结构的质量起着至关重要的作用。本文针对钢结构制作当中主要运用到的H型钢焊接进行详细论述，并对焊缝工艺进行评定及对整个焊接过程中所可能出现的焊接缺陷提出了防止措施。通过对H型钢焊接质量的控制从而达到对钢结构质量的控制，这将直接影响到人们的日常生活和娱乐。 一

2、、绪论1、钢结构主要组成部分钢结构主要构架一般由钢梁、钢柱及钢架与钢架之间的钢支撑组成。各构件之间采用焊接、螺栓或铆钉连接。而在各种连接方式中，焊缝连接用的较多。2、H型钢的特点建筑刚结构是以热轧H型钢为主要基本构件的，它的翼缘较宽，侧向钢度较大，抗弯能力比较强。除此之外还有以下特点：（1）塑性和韧性好、适宜于承受振动和冲击荷载；（2）钢材容重与强度的比值一般小于混凝土和木材，因而H型钢的重量轻；（3）结构简单便于机械化制造，精确度较高，安装方便，是工程结构中工业化程度最高的一种结构；（4）施工较快，可尽快地发挥投资的经济效益。作为主要支撑和连接件的H型钢制作质量，对钢结构的质量与性能影响很大

3、，有时可影响到整体结构的承载安全，因此，对H型钢的制作工艺必须严格要求。2、 钢结构H型钢制作工艺1、H型钢焊接前准备（1）制作H型钢的钢材型号及特性 选择Q345B作为制作H型钢工艺试验的原材料，此材料的化学成分及特性如下： 表1 Q345B化学成分牌号化学成分屈服点Mpa抗拉强度Mpa伸长率CMnSiSP16mm16-35mmQ345B0.201.01.70.550.0400.040345325470-63021 特性：Q345B它是低合金钢。综合性能好，低温性能好。冷冲压性能，焊接性能和可切削性能好。广泛应用于桥梁、车辆、船舶、建筑、压力容器等。（2）开坡口双面焊 采用开坡口双面焊，坡口

4、形式由焊件厚度决定，通常焊件厚度小于22mm时开Y形坡口，大于22mm时开X形坡口。开坡口的焊件焊接第一面时，可采用焊剂垫。当无法采用焊剂垫时，可用悬空焊，此时坡口应加工平整，同时保证坡口装配间隙不大于1mm，以防止熔化金属流溢。（3）焊接收缩量加工余量的计算焊接H型钢纵向焊缝较长，焊缝收缩问题在下料时应关注。尤其在翼板和腹板厚度较大，焊脚高度较大时，更应十分注意，焊缝收缩量以每米收缩1mm计算（焊脚高在小于12mm）加在下料的总长度内即可。焊脚高大于12mm时，收缩量应在每米1.5-2mm计算。另外，焊缝H型钢，长度应再加预算量，除考虑焊缝收缩外，还应考虑，端面角度，铣端面（磨）等因素。一般

5、在30-50mm为加工余量。（4）焊接H型钢组对对半成品板材进行质量检验，合格者进行组对。组对时应按下列工艺要求进行： 对半成品表面扭曲度超差的板材应进行矫正，再进行组对，严禁超应力组对。注意对接的翼板和腹板的相互位置，其翼板和腹板的对接相距不大于300mm。待组对的翼板与定位夹辊接触均匀，压力适宜时便可开始组对。组对时，应首先操正组对件的位置，与纵向组对移动轨道相平行，前后偏移不超过100mm。（5）H型钢定位焊接将H型钢组对后，要先将其进行定位焊接。定位焊接时应按下述工艺要求进行：定位焊高度不得超过焊缝高度2/3；设计有坡口时，组对点焊高度不应超过破口尺寸。定位焊，由于焊缝长度短，截面小，

6、冷却快，焊缝容易开裂。应该选择较大的热输入进行定位焊。定位焊间距以200mm为宜，偏差不超过20mm；而且两端必须点焊，点焊长度如下：表2 翼板厚度与点焊长度关系翼板厚度(mm)h1212h2525h40点焊长度(mm)101520严禁在焊缝区外的母材和设备上引弧，在坡口内引弧局部面积不得留下弧坑。引弧板、收弧板的设置在每根H型钢组对的同时，为了保证焊缝质量，需在两端设引弧板、收弧板，材质要求相同长度为600mm，焊接结束后切割去掉。(6)腹板厚度小于6mm，宽度大于600mm的反变形处理将面积较大厚度较小腹板放在砧板上用锤击（需加垫板，以免锤击出伤痕），这样才能消除切割收缩的压力。2、H型钢

7、自动埋弧焊接工艺及变形控制组对定位完成后即可进行H型钢主焊接工艺，主焊接过程主要采用自动埋弧焊方法。（1）自动埋弧焊的焊接参数的确定自动埋弧焊的焊接参数一般包括焊接电流、电弧电压、焊接速度及焊接直径。焊接电流的确定焊接电流主要影响焊缝厚度。其他条件一定时，随着电流的增大，电弧力和电弧对焊件的热输入量及焊丝的熔化量增大，熔深将增加。焊缝厚度和余高增加，而焊缝宽度几乎不变，焊缝成形系数减小，焊接电流对焊缝熔深大小影响最大。采用6mm的焊丝，电流的范围650730A。电弧电压的确定电弧电压主要影响焊缝宽度。其他条件一定时，电弧电压低时,熔深大、焊缝宽度窄;电弧电压高时,熔深浅、焊缝宽度增加;过分增加

8、电压,会使电弧不稳,熔深减少,易造成未焊透的现象,严重时还会造成咬边、气孔等缺陷。采用6mm的焊丝，电压的范围3135V。焊丝直径的确定在焊接电流、电压和速度不变的情况下,焊丝直径将直接影响焊缝的熔深。随着焊丝直径的减少,熔深将加大,成型系数减小。根据焊件的外形和尺寸可选定细丝埋弧焊，还是粗丝埋弧焊。例如小直径圆筒的内外环缝应采用2mm焊丝的细丝埋弧焊;厚板深坡口对接街头纵缝和环缝宜采用5mm、6mm焊丝的粗丝埋弧焊焊接速度的确定焊接速度的快慢主要影响母材的热输入量。焊接速度的确定一般根据焊接电流的大小来确定，同时兼顾生产效率。如焊接速度增加,焊缝的线能量减少,使熔宽减少、熔深增加,然而继续加

9、大焊接速度,反而会使熔深减少,焊接速度过快,电弧对焊件加热不足,使熔合比减少,还会造成咬边、未焊透及气孔等缺陷。根据上述焊接参数的确定原则，在大量试焊的基础上得出如下焊接工艺参数：表3. 埋弧焊焊接工艺参数对焊缝成形的影响焊缝特征下列各项值增大时焊缝特征的变化焊接电流焊丝直径电弧电压焊接速度焊丝后倾角度焊件倾斜角间隙和坡口焊剂粒度22343560104040100下坡焊上坡焊熔深S剧增减稍增稍减稍增减剧减减稍增几乎不变稍减熔宽C稍增增增剧增减增增稍减几乎不变稍增余高h剧增减减稍增减减增减稍减焊缝成形系数剧减增增剧增减稍减剧减增减几乎不变增余高系数剧减增增剧增减剧增增减增增母材熔合比r剧增减稍增

10、几乎不变剧增增减减稍增减稍减（2）焊接变形的控制自动埋弧焊电流大,热量高,构件易产生变形(翼缘板角变形，H 钢的纵向弯曲，H 钢扭曲变形)。 针对上述问题主要采取以下技术措施: 在专用工作台上,将H 钢的四条纵向角焊变为船形焊，以保证焊缝的焊透，提高焊接质量，减少熔敷金属。根据翼缘板与腹板的不同配置调整焊接参数,将角变形控制在3 mm 以内，然后用翼缘矫正机对其进行校正。纵向弯曲是由于H 型钢单边受热产生的残余应力分布不均造成的。通过实验决定利用后续焊缝的残余应力平衡上道焊缝的残余应力的办法，即第1、2道焊缝焊接时，电流调至下限值，第3 道焊缝焊接时，电流调至平均值，在最后一道焊缝焊接时，将电

11、流调至上限值，以期消除变形。如采用上述措施后仍有少量变形，则在后续工序中用火焰法予以校正。扭曲变形与纵向弯曲产生的原因大致相同，因此，也是通过合理调整焊接顺序，以后续焊缝的残余应力来平衡前面的焊接残余应力。为了减少变形和装配顺序，尽量可采取先组装焊接成小件，并进行矫正，使尽可能消除施焊产生的内应力，再将小件组装成整体构件。（3）焊接变形矫正在焊接H 钢生产中对构件变形的校正，主要采用三种方法：火焰校正法、机械校正法和反变形法。机械校正法主要校正翼缘板的角变形，在专用的翼缘矫正机上,通过机械力进行反复的强制性校正，直到角变形量符合标准为止。火焰校正法主要用于校正H 钢的纵向弯曲变形，在拱起的一侧

12、用火焰加热至850 900 ，在翼缘板上进行条形加热，在腹板上进行三角形区加热，加热后用冷水进行跟踪冷却。加热时根据不同的变形量，控制加热区的大小和加热的温度，以防校正过量和出现过烧现象。反变形法用于控制端头板焊接变形。在端头板焊接前，在施焊部位的反面用大号气焊枪进行烘烤，产生残余应力，待正式施焊时达到焊接残余应力平衡。最终实现端头板的平整。3、质量检验焊缝质量一般进行三方面的检验，即焊缝内部缺陷检验、焊缝表面缺陷检验和焊缝尺寸偏差检验。（1）焊缝内部缺陷检验：焊缝内部缺陷主要有裂纹、未熔合、根部未焊透、气孔和夹渣等，检验主要是采用无损探伤的方法，即超声波探伤，超声波探伤是利用超声波在物体中的

13、传播、反射和衰减检测方法。（2）焊缝表面缺陷检验：焊缝表面缺陷主要采用观察检查或使用放大镜观察，还可以采用表面渗透探伤（着色或磁粉）检验。（3）焊缝尺寸偏差及外观检验：焊缝尺寸偏差主要是采用焊缝尺寸量规进行检验。焊缝应略有余高，但最大余高不能超出3mm；焊缝与母材之间应平缓过度；焊缝外表应整洁、均匀、无溢瘤、凹陷和凸起；焊缝与母材及层间应完全熔合弧坑必须填满；任意长度焊缝上咬肉深度不得超过0.5mm，对任意300mm长度焊缝咬肉不得大于50mm；焊角尺寸应满足图纸要求两焊角应均等，偏差不能超过3mm；任意一条单角焊缝焊角尺寸下差不得超过1.6mm，其长度不得超过焊缝长度的100%。三、焊接工艺

14、实验及评定1、焊接工艺评定实验工件准备（1）拉伸试验 取样和加工要求 试验的焊缝余高已机械方法去除，使之与母材齐平。试样厚度等于或接近试件母材厚度T。 厚度小于或等于30mm的试件，采用全厚度试样进行试验。 当试验机受能力限制不能进行全厚度的拉伸试验时，则可将试件在厚度方向上均匀分层取样，等分后制取试样厚度应接近试验机所能试验的最大厚度。等分后的两片或多片试样试验代替一个全厚度试样的试验。 （2）弯曲试验 取样和加工要求 要求：试样的焊缝余高应采用机械方法去除，面弯、背弯试样的拉伸表面应齐平。 取样形式 面弯和背弯试验当试件厚度10时，试样厚度与相等或接近；>10时，10mm，试样受压面

15、加工去除多余厚度。横向侧弯试样当试件厚度为108时，试样宽度等于试件厚度。当试件厚度大于38时，允许沿试件厚度方向分层切成宽度为2038等宽的两片或多片试验的试样代替一个全厚度侧弯试样的试验。（3）冲击试验试样取向：试样纵轴应垂直于焊缝轴线，缺口轴线垂直于母材表面。试样取样位置；焊缝区及热影响区各取若干。2、焊接工艺评定试验 取试样做拉伸、冲击、弯曲试验评定焊接工艺。做出焊接工艺试验报告及结果。焊接工艺评定报告(PQR)工程名称某某工程评定报告编号委托单位工艺指导书编号试验单位依据标准建筑钢结构焊接技术规程JGJ81-2002焊接方法埋弧自动焊施焊日期2011.7焊工资格证级别5G母材钢号Q3

16、45 B规格80×200×600供货状态热轧生产厂接头简图: 1-10焊接电流(A)650730焊接电压(V)3135焊接速度cm/min24-30焊接范围(t)小大 11-33701720313223280.75t-1.5t焊接材料生产厂牌号类型直径mm烘干温度(/h)备注焊丝武汉铁锚H10Mn2实芯4.8焊剂或气体河南豫林SJ10110-60焊接方法SAW焊接位置1G接头形式BW焊接设备型号ZD5-1250B电源及极性DC/EP预热温度100层间温度150后热温度及时间h650/12焊后热处理采用电加热至650，保温2小时后保温棉覆盖缓冷评定结论:本评定按<建筑钢

17、结构焊接技术规程>(JGJ81-2002)规定,根据工程情况编制工艺评定指导书,焊接试件,制取并检验试样,测定性能,确认试验记录正确.评定结果为 合格 .焊接条件及工艺参数适用范围按本评定指导书规定执行. 评定审核焊接工艺评定检验结果无损检测试验项目合格标准评定结果报告编号备注外观X光超声波BIBI2011CS-130 合格磁粉拉伸试验报告编号2011LX180弯曲试验报告编号2011LX180试样编号s(Mpa)b(Mpa)断口位置评定结果试样编号试验类型弯心直径D(mm)弯曲角度评定结果049-1515焊缝合格049-9侧弯D= 3 a180合格049-2530焊缝合格049-10侧

18、弯D= 3a180合格049-11侧弯D= 3a180合格04912侧弯D= 3a180合格冲击试验报告编号2011LX180宏观全相报告编号试样编号缺口位置试验温度冲击功Akv(J)评定结果：049-3焊缝区2090049-4焊缝区20150049-5焊缝区20149硬度试验报告编号049-6热影响区20150评定结果：049-7热影响区20164049-8热影响区20176其他检验：工艺评定总结： 对试验数据进行分析可以清晰的从焊接工艺评定和焊接工艺评定试验中得出一系列的H型材的焊接性能结果。采用X型坡口，双面焊接的方法。焊后进行保温，消除内应力，减少焊缝产生冷裂纹的几率。24小时后对试件

19、进行机械切割，拿出样品进行拉伸、弯曲、冲击试验，验证在此工艺下的焊接性能。通过实验数据表明在此工艺下焊接性能良好，完全达到作业标准。 通过焊接工艺评定和焊接工艺试验结果分析可以得出焊接工艺是不是符合此种钢材焊接性能。钢结构部分H型钢部分起到支撑作用，是整个建筑的梁架结构，非常重要，若产生冷裂纹或者焊缝内有缺陷，可能会导致钢结构的倒塌。所以钢结构的H型钢制作工艺非常重要。一个优良的焊接工艺才能使焊接性能达到最佳状态，才能使钢材发挥应有的性能。 焊接工艺是整个焊接生产的基础，没有焊接工艺就不能很好的进行施焊。 4、 H型钢焊接缺陷及防止措施 H型钢的制作过程中难免会遇到焊接缺陷，怎么样去防止这些缺

20、陷的产生，就必须先认识这些缺陷产生的原因，才能采取防止措施。下面就来介绍一些缺陷及防止措施。1、焊缝尺寸不合要求焊波粗、外形高低不平、焊波宽度不一及角焊缝单边或下陷量过大等均为焊缝尺寸不合要求，其原因是： 焊件坡口角度不当或装配间隙不均匀。 焊接电流过大或过小，焊接规范选用不当。所以应在焊接前先调整好焊接工艺参数，根据板厚需要开破口的要适当的开坡口。 2、裂纹焊缝中原子结合遭到破坏,形成新的界面而产生的缝隙称为裂纹。通常情况下，埋弧焊接头有可能产生两种类型裂纹，即结晶裂纹和氢致裂纹。前者只限于焊缝金属，后者则可能发生在焊缝金属或热影响区。 （1）结晶裂纹 钢材焊接时，焊缝中的S 、P等杂质在结

21、晶过程中形成低熔点共晶。随着结晶过程的进行，它们逐渐被排挤在晶界，形成了“液态薄膜”。焊缝凝固过程中，由于收缩作用，焊缝金属受拉应力，“液态薄膜”，不能承受拉应力而形成裂纹。可见产生“液态薄膜”和焊缝的拉应力是形成结晶裂纹的两方面原因。     钢材的化学成分对结晶裂纹的形成有重要影响。硫对形成结晶裂纹影响最大，但其影响程度又与钢中其他元素含量有关，如Mn与S 结合成MnS而除硫，从而对S的有害作用起抑制作用。Mn还能改善硫化物的性能、形态及其分布等。因此，为了防止产生结晶裂纹，对焊缝金属中的MnS值有一定要求。MnS值多大才有利于防止结晶裂纹，还与含碳

22、量有关。含C量愈高，要求MnS值也愈高。 （2）氢致裂纹 较多的发生在低合金钢、中合金钢和高碳钢的焊接热影它可能在焊后立即出现，也可能在焊后几时、几天、甚至更长时间才出现。这种焊后若干时间才出现的裂纹称为延迟裂纹。    氢致裂纹是焊接接头含氢量、接头显微组织、接头拘束情况等因素相互作用的结果。在焊接厚度10mm 以下的工件时，一般很少发现这种裂纹。工件较厚时，焊接接头冷却速度较大，对淬硬倾向大的母材金属，易在接头处产生硬脆的组织。另一方面，焊接时溶解于焊缝金属中的氢，由于冷却过程中溶解度下降， 向热影响区扩散。当热影响区的某些区域氢浓度很高而温度继续下

23、降时，一些氢原子开始结合成氢分子，在金属内部造成很大的局部应力，在接头拘束应力作用下产生裂纹。    焊接某些超高强度钢时，这种裂纹也会出现在焊缝金属中。    针对氢致裂纹产生的原因，可以从以下几方面采取措施。    a.减少氢的来源及其在焊缝金属中的溶解，采用低氢焊剂；焊剂保管中注意防潮，使用前严格烘干；对焊丝、工件焊口附近的锈、油污、水分等焊前必须清理干净。    通过焊剂的冶金反应把氢结合成不溶于液态金属的化合物，如高 Mn 高

24、 Si 焊剂可以把 H 结合成 HF 和 OH 两种稳定化合物进入熔渣中，减少氢对生成裂纹的影响。    b.正确的选择焊接工艺参数，降低钢材的淬硬程度并有利于氢的逸出和改善应力状态，必要时可采用预热。    c.采用后热或焊后热处理 焊后后热有利于焊缝中的溶解氢顺利的逸出。有些工件焊后需要进行熟处理，一般情况下多采用回火处理。这种热处理的效果一方面可消除焊接残余应力，另一方面使已产生的马氏体高温回火，改善组织。同时接头中的氢可进一步逸出，有利于消除氢致裂纹，改善热影响区的延性。   

25、 d.改善接头设计，降低焊接接头的拘束应力在焊接接头设计上，应尽可能消除引起应力集中的因素，如避免缺口、防止焊缝的分布过分密集等。坡口形状尽量对称为宜，不对称的坡口裂纹敏感性较大。在满足焊缝强度的基本要求下，应尽量减少填充金属的用量。3、未熔合未熔合是指焊缝金属与母材金属,或焊缝金属之间未熔化结合在一起的缺陷。按其所在部位,未熔合可分为坡口未熔合,层间未熔合根部未熔合三种。 （1）产生未熔合缺陷的原因焊接电流过小焊接速度过快焊条角度不对产生了弧偏吹现象焊接处于下坡焊位置,母材未熔化时已被铁水复盖母材表面有污物或氧化物影响熔敷金属与母材间的熔化结合等 （2）未熔合的危害 &#

26、160;  未熔合是一种面积型缺陷,坡口未熔合和根部未熔合对承载截面积的减小都非常明显,应力集中也比较严重,其危害性仅次于裂纹。.（3）未熔合的防止 采用较大的焊接电流,正确地进行施焊操作,注意坡口部位的清洁4、未焊透母材之间或母材与熔敷金属之间存在局部未熔合现象。它一般存在于单面焊的焊缝根部，对应力集中很敏感，对强度疲劳等性能影响较大。（1）未焊透产生的原因是：坡口设计不良，角度小、钝边大、间隙小。 焊条、焊丝角度不正确。 电流过小，电压过低，焊速过快，电弧过长，有磁偏吹等。 焊件上有厚锈未清除干净。 埋弧焊时的焊偏。 （2）未焊透的危害是减少了焊缝的有效截面积,使接头强度下降。未

27、焊透焊透引起的应力集中所造成的危害,比强度下降的危害大得多。未焊透严重降低焊缝的疲劳强度。未焊透可能成为裂纹源,是造成焊缝破坏的重要原因。（3）未焊透的防止    使用较大电流来焊接是防止未焊透的基本方法。另外,焊角焊缝时,用交流代替直流以防止磁偏吹,合理设计坡口并加强清理,用短弧焊等措施也可有效防止未焊透的产生。5、气孔对于低碳钢埋弧焊来说，最主要的冶金反应有硅、锰的还原，碳的氧化（烧损）反应，以及焊缝中氢和硫、磷含量的控制。所以就比较容易产生气孔。（1）形成气孔的气体主要是一氧化碳、氢和氮。一氧化碳气孔：FeO + C Fe + CO焊丝中加入足够的脱氧剂和限

28、制焊丝的含碳量，就可有效地防止CO气孔产生。氢气孔氢主要来源于焊丝、工件表面的油污及铁锈，以及CO2气体中所含的水分。CO2气体的氧化性可制约氢的危害-H2 + CO2 H2O + CO所以在生产中，为了防止经常出现的氢气孔，一定要在焊接前清理干净工件表面的油污和铁锈。氮气孔N2的来源：空气侵入焊接区；CO2气体不纯（可能性不大）焊缝中产生N气孔的主要原因是由于保护气层遭破坏，大量空气侵入焊接区所致。造成保护气层失效的因素有：过小的CO2气流量；喷嘴被飞溅物部分堵塞；喷嘴与工件的距离过大；焊接场地有侧向风等。保证气层稳定、可靠是防止焊缝中N气孔的关键。（2）气孔的危害气孔减少了焊缝的有效截面积,使焊缝疏松,从而降低了接头的强度,降低塑性,还会引起泄漏。气孔也是引起应力集中的因素。氢气孔