隧道钢拱架硬钎焊工艺设计研究

覃志明

(广西宏冠工程咨询有限公司，广西 南宁 530029)

0 引言

在我国，无论是高速公路还是高速铁路的施工，都存在大量的隧道工程。隧道工程中的初期支护类型多种多样，根据围岩等级的不同可分为格栅钢拱架支护、工字钢钢拱架支护及H型钢拱架支护等。无论是哪种钢拱架，都离不开钢拱架接头的焊接。本文以工字钢钢拱架为例，对接头的焊接工艺进行分析。工字钢钢拱架是应用最广，也是效果最好的一种支护结构类型。每一环的支护钢拱架都是由若干个单元组成，每个单元的连接方式为螺栓连接，但是在螺栓连接之前，要将螺栓的连接板与工字钢进行焊接，焊接接头是钢拱架的质量控制重点与难点，对其焊接成型有严格的要求。

1 钎焊技术的发展

钎焊技术的焊接原理就是选用一种熔点低于母材的金属材料作为钎料，然后将钎料与焊接母材同时加热到钎料熔点，使得钎料熔化，利用液体的钎料润湿母材并填充焊接件接头之间的缝隙，以实现焊接件连接的方法。其具有焊接变形小、对母材损伤小、焊接质量好等特点。

钎焊技术是发展比较早的一种焊接技术，最早可以追溯到铁器时代。我国最早是在战国时期开始使用焊接技术的，在秦始皇兵马俑青铜器中也出现了大量的钎焊物品。虽然钎焊技术出现得比较早，但是其发展比较缓慢，一直到1930年后，在化工技术发展的基础上，才得到了迅速发展，尤其是在第二次世界大战以后，由于各种航空、电子、冶金等技术的发展，对焊接技术的要求越来越高，钎焊受到了前所未有的重视，相继出现了各种各样的钎焊方法与工艺，应用于工业发展的各个领域[1]。

2 隧道钢拱架材质焊接性分析

本文主要以隧道工字钢钢拱架进行研究分析，工字钢拱架主要由工字钢、连接钢板及角钢等构件组成，其材质均为Q235普通碳素钢。

2.1 工字钢Q235低碳钢基本分析

Q235普通碳素钢是最常用的一种钢材，按照等级区分为Q235A、Q235B、Q235C、Q235D，具体如表1所示。

表1 Q235普通碳素钢等级区分表

Q235普通碳素钢化学元素的含量：A、B、C、D碳与硫的含量依次递减，锰的含量基本相同，A和B的磷含量相同，C的磷含量次之，D的磷含量最少。Q235的机械性能主要有以下指标：密度为7.85 g/cm3，弹性模量为200E/GPa左右，泊松比为0.25 v左右，抗拉强度在380～490 MPa之间。

2.2 Q235普通碳素钢焊接性分析

隧道钢拱架的工字钢、连接钢板及角钢均为Q235低碳钢，通过上文对低碳钢的分析可知，其含碳量相对较低，所以在两种低碳钢母材进行焊接时，不会产生硬化组织或者淬火组织现象，因此焊接后的接头的力学指标及冲击韧度相对较好[2]。

3 钢拱架硬钎焊焊接工艺设计

3.1 焊前准备工作

(1)外观检查：首先检查钢拱架的工字钢接头和连接钢板及角钢的整体质量，是否有裂纹、显著弯曲或凹凸不平的情况，对于有裂纹的材料要进行更换；如果工字钢或者连接板焊接位置有弯曲或者不平情况，可通过加工校正后焊接。钎焊面必须平整，以保证两种母材有良好的接触，才能保证钎焊质量。

(2)焊接面处理：对工字钢端头和连接板焊接面进行喷砂处理或者通过绿色碳化硅轮打磨焊接面，以去除焊接面上的氧化层。实践证明，如不去除母材钎焊面上的氧化层，焊料不易润湿焊接母材，易发生脱焊。对于氧化层的处理，严禁采用化学试剂或电解磨削处理，因为它们都将会对母材造成腐蚀，焊接母材钎焊面的钴被腐蚀后，钎料就无法对母材润湿，进而将会产生脱焊现象。在必须使用上述方法时，可将处理后的焊接面再次进行喷砂处理或打磨去除氧化层[3]。

3.2 焊接工艺参数选择

钎焊温度是钎焊焊接的工艺参数，也是钎焊质量好坏的一个重要参数。只有控制恰当的钎焊温度，才能确保焊接的质量。焊接工件在达到钎焊温度时，钎料熔化后将焊接接缝的空隙进行填塞并对母材进行润湿，与母材相互作用形成接头，同时，对于工件的钎焊后热处理有很大作用，可以提供母材的基体性能。在本文中的工字钢拱架硬钎焊，选用HL705铜基钎料，由于其熔化温度在1 080 ℃～1 120 ℃，因此钎焊温度应比钎料的液相线温度高40 ℃～70 ℃，控制在1 180 ℃为宜。

保温时间是钎焊焊接的另外一个重要工艺参数，只有将保温时间控制合理，才能使得钎料与母材材料相互扩散得更加彻底，相互连接更加牢固。对于本案例中的工字钢接头与连接钢板而言，由于其焊接接触面积比较小，钎缝间隙也比较小，所以在控制保温时间的时候要尽量缩短，共进行三次保温操作，每次保温时间宜控制在1～1.5 h，并要进行三次保温操作，以提高接头的硬度，改善其内部组织及硬度的均匀性以及释放钎焊处的焊接应力。

3.3 焊接操作技术

本案例中的隧道钢拱架的钎焊母材为工字钢、连接钢板及角钢，其外形如图1所示。

图1 钢拱架接头形状示意图(mm)

(1)工件固定。将工字钢、连接钢板用夹具进行夹紧固定，并定位支撑稳定。接头钎焊时必须通过夹具预加一定的压力，使钎焊过程接头间隙减小。同时，要将钎料放置在工字钢接头与连接钢板焊接位置。

(2)钎焊。钎焊机设备选用的是PMA火焰钎焊机，钎料为铜锌钎料，保护气体为氮气。在钎焊过程中，钎焊的温度控制在每分钟提高50 ℃以上，以确保能够稳定地到达钎料的熔点，同时可以加入适量的助焊剂，使得钎焊的湿润性和流动性得以提高，确保焊接接头的质量，减少气孔的生成。

(3)排渣操作。在钎焊操作过程中，当钎焊温度达到钎料熔点时，用加压棒将焊缝内往复移动3～5次，以排除焊缝中的溶渣。

3.4 焊后处理

钢拱架接头焊接完成后，要将接头焊缝周围的多余焊剂清理干净，否则多余熔剂会对接头的焊缝及钢架基体产生腐蚀。对其清理的方法有两种：(1)将焊后的接头用沸水煮40 min左右，对附着焊剂的位置进行喷砂处理，就可以彻底清除刀具上的多余焊剂及其他脏物；(2)将焊后的接头用盐酸进行泡洗，盐酸溶液浓度为1∶1，酸洗约2 min左右，再用冷水和热水相继冲洗干净。

3.5 安全技术与防护

焊接前要对焊接设备的各种管路进行检查，尤其是气管的各连接阀、开关是否顺畅；助焊剂是否充足；气罐是否有漏气现象；点火装置是否能正常工作；喷枪能否正常工作；各器具的连接部软管是否漏气。焊接过程中也会产生大量有毒有害气体，因此，焊接工人必须佩带安全防护用品，如防毒面罩、防火手套、防护服及绝缘鞋等。焊接完成后，也要及时对焊接现场进行清理与安全隐患排查。首先要对焊接设备的电源进行断开，各种气体的气阀要及时关闭，以免发生意外伤害；其次要对现场的焊接杂物进行清理，避免造成环境的二次污染；最后是将焊接完成的钢拱架放置在安全位置，以避免发生意外事故。

4 钢拱架钎焊焊接质量检测

4.1 检测方法分析

在检验钎焊接头的缺陷时，大致可分为三种：外观检查、表面缺陷检验和内部缺陷检测。

4.1.1 外观检查

外观检查主要是通过肉眼或者放大镜等设备对钎焊焊缝接头进行观察，检查是否存在漏焊、烧伤、气孔等缺陷。

4.1.2 表面缺陷检验

在表面缺陷检验法中又包含了荧光检验法、着色检查和磁粉检验法等。这些方法是用来检查外形并检查通过眼睛发现不了的钎缝表面所具有的缺陷，例如出现看不到的裂纹和气孔。其中荧光检验的方法一般是用在比较小型的工件的检查当中；相对较大的工件就会采用着色检验，一般是对工件的局部是否有缺陷进行检查；磁粉检验法则通常只应用在带有磁性的金属的缺陷检查当中。

4.1.3 内部缺陷检验

内部缺陷检验的方法主要是无损检测，常用方法有超声波检测、射线检验法以及致密性检验等。其中超声波检与射线检验是比较常用的方法，其优点就是可以准确检测到钎焊焊缝内部是否有气孔、夹渣、不密实等缺陷，同时可以检测到母材内部的缺陷，比如母材焊接位置内部有开裂或者孔洞等现象。致密性检验在实际焊接中，用到的较少，具体主要包括气密试验检测、水压试验检测、煤油渗漏试验检测以及质谱试验检测等。气密性检测与水密性检测程序相对复杂，而且要求高，一般用于精密的焊接。气密性检测通常用于一些低压力容器焊接接缝的检测；水压试验检测通常用于高压力容器的焊接检测；煤油渗透检测用于无压力要求的焊接接缝；质谱试验用于真空密封接头。

4.2 检测方案

本案例中的钢拱架硬钎焊焊接检测采用外观检测法与无损检测法相结合的方案：(1)用放大镜观察钢拱架焊接部位是否有咬边、烧穿、未焊透及裂纹等缺陷，并检查焊缝外形尺寸是否符合要求。(2)通过无损检查方法中的渗透检验对焊缝内部缺陷进行检测。先将工字钢钎焊接头清理干净，在焊缝表面喷涂一层具有渗透性的着色剂；经过一段时间后，着色剂渗透到焊缝内部后，将焊接位置再次清洗干净，然后在同样的位置喷涂一层白色的显示液，待其干燥以后，观察表面是否会出现红色痕迹以及痕迹的大小，来判断焊接位置内部质量缺陷的情况。

5 结语

通过对隧道工字钢钢拱架硬钎焊工艺的实验分析研究，并对其焊接部分检测，均符合规范要求。隧道钢拱架的特点就是承受压力大，现场拼装精度要求高，因此对其焊接质量的要求也是相对较高的，而硬钎焊焊接变形小、对母材损伤小，对于隧道钢拱架的焊接是非常适用的。