T形接头“部分全熔透焊缝”焊接质量控制方法

张华，高兴，代钥

武船重型工程股份有限公司 湖北武汉 430415

1 序言

焊接作为制造业的基础技术，在航空航天、海洋工程与舰船、水利电力、轨道交通及桥梁建筑等各个领域都扮演着不可或缺的重要角色，焊接接头大致分为对接接头、搭接接头、T形接头、角接接头和端接接头几种基本类型[1]。T形接头在船舶、桥梁等焊接结构中广泛应用，根据焊缝形式可分为角焊缝、部分熔透焊缝和全熔透焊缝，如图1所示。

图1 T形接头焊缝形式

鉴于目前T形接头清根熔透焊接工艺存在一定的弊端，结合部分熔透焊缝（PJP）及全熔透焊缝（CJP）的工艺特点，本文提出“部分全熔透焊缝”（以下简称PCJP）焊接质量控制方法，以利于实施免清根及自动化焊接工艺，提高焊接质量和效率。

2 关于T形接头焊缝熔透要求

2.1 T形接头焊缝的应用现状

足够的焊缝尺寸是保证焊接结构连接强度的前提条件，在工程实际中，一方面因构件焊缝尺寸不足引起的质量安全事件时有发生；另一方面，过度焊接的现象比较普遍，如可用角焊缝的部位要求采用部分熔透焊缝，可用部分熔深焊缝的部位要求采用全熔透焊缝，过度焊接对于焊接变形及焊接成本控制不利。T形接头全熔透焊缝被大量采用，其原因可能有以下两个方面：一是相关设计规范对于T形接头焊缝要求的规定不够明确，设计人员在主观上认为全熔透焊缝更可靠；二是从焊接质量控制角度，部分熔透焊缝内部质量的检测手段及其有效性不如全熔透焊缝，全熔透焊缝要求更有利于控制焊缝内部质量。

2.2 T形接头全熔透焊缝的局限性

在焊接工艺实施中，为实现全熔透焊接，往往在焊接一侧焊缝后，在另一侧采用碳弧气刨清根再进行焊缝的焊接。碳弧气刨清根是一种落后的作业方式，产生的烟尘和噪声非常大，工作环境恶劣，形成的焊接坡口一致性差，不利于实施自动化焊接工艺，此外会显著增加焊接工作量及焊接变形量。碳弧气刨清根现场如图2所示。

图2 碳弧气刨清根现场

针对T形接头全熔透焊接要求，为提高生产效率，相关单位开展了免清根熔透焊工艺的研究，采用埋弧焊或深熔聚弧气体保护焊，利用其熔深大的工艺特性，可有效提高焊缝根部的熔透性[2-4]。由于免清根熔透焊工艺对焊接坡口尺寸及焊丝对中精度要求较高，易在产品批量生产中表现出适应性不良现象，造成焊缝合格率低、返修率高等问题。

2.3 T形接头全熔透焊缝的必要性

全熔透焊接可最大程度地减少焊缝内部缺欠，但同时在很大程度上增加了焊接难度，因此，对于T形接头是否有必要进行全熔透焊接长期存在意见分歧。张剑峰等[5]对钢板梁翼缘与腹板角焊缝是否需要熔透焊进行了探讨，推荐采用部分熔透的对接与角接组合焊缝，不推荐全熔透焊缝，以利于工厂机械化、自动化生产，提高焊接质量的稳定性。张华等[6]指出T形接头在双面焊接条件下，足够的焊缝尺寸（包括熔深及焊脚尺寸）可以避免焊缝内部焊根处产生疲劳裂纹，焊趾处的疲劳破坏问题应是关注重点。

由于双侧焊脚的加强作用，当焊缝熔深达到一定值时，T形接头焊缝失效模式由焊根转变为焊趾失效；进一步提高焊缝熔透率，对于提升焊接接头疲劳强度的作用有限。总之，全熔透焊接不是保证T形接头静载强度及疲劳强度的必要条件，对于高承载要求的T形接头焊缝，需采取必要的技术措施，保证足够的焊缝尺寸，限制焊缝内部未焊透尺寸，降低焊根处的应力集中系数，避免产生焊根疲劳失效。

3 PCJP焊接质量控制方法及适用范围

3.1 PCJP焊接质量控制方法的概念

提出PCJP焊接质量控制方法，即对于重要承载的T形接头焊缝，在焊缝设计、焊接、检测过程中，基于焊缝性能需求，实施免清根焊接工艺，通过无损检测手段，整体上以全熔透焊缝检测一次合格率控制焊缝内部质量，实现高品质制造；局部上以未焊透焊缝最低熔深要求作为焊缝内部质量验收指标，实现高效、低成本生产。

3.2 PCJP焊接质量控制方法的原理

图3所示为T形接头焊缝熔透率与疲劳强度、焊接成本的关系。从图3可看出，随着焊缝熔透率的增加，焊缝疲劳强度呈现上升趋势，其中存在疲劳失效模式转折点，即当焊缝熔深率低于该值时，焊缝疲劳失效模式以焊根失效为主，焊接接头疲劳性能处于较低水平；而当焊缝熔透率高于该值时，焊缝疲劳失效模式以焊趾失效为主，焊接接头疲劳性能处于较高水平，此时焊缝熔透率的变化对焊接接头疲劳性能影响不显著。

此外，随着焊缝熔透率的增加，焊接成本也呈现上升趋势，其中存在清根工艺转折点，当焊缝熔透率低于该值时，采用免清根焊接工艺可满足相应的质量要求，焊接成本相对较低；而当焊缝熔透率高于该值时，则需要采用清根焊接工艺才能满足相应的质量要求，对应的焊接成本将大幅增加，而疲劳性能并无明显提升。

基于PCJP焊接质量控制方法，T形接头焊缝内部质量要求所对应的焊缝熔透率处于疲劳失效模式转折点与清根工艺转折点之间，且接近于清根工艺转折点。一方面，以全熔透焊缝检测一次合格率要求规范焊接工艺，对焊缝内部质量进行有效控制，充分满足焊缝性能需求；另一方面，相对于100%全熔透焊缝要求，便于实施免清根及自动化焊接工艺，大幅提高焊接效率，降低焊接成本，从而实现焊接质量、焊接效率、焊接成本三者之间的有效统一。

3.3 相关要求

基于PCJP焊接质量控制方法，T形接头焊缝中的全熔透焊缝检测一次合格率及未焊透焊缝的最低熔深要求需有明确的规定，结合T形接头免清根熔透焊工艺实践，对于腹板板厚为8～40mm的T形接头，推荐采用双“80%”要求，即全熔透焊缝检测一次合格率不低于80%，未焊透部分焊缝熔深不低于80%板厚即可验收，免于返修。

超声波检测是T形接头焊缝内部质量无损检测的主要方式，目前，普通A型超声波检测可有效判别焊缝内部是否存在未焊透缺欠，以此准确统计全熔透焊缝检测一次合格率，而对未焊透缺欠高度尺寸的检测精度较低，因此需积极开展超声波相控阵检测等先进无损检测技术的研究应用，提高T形接头焊缝内部缺欠的检测精度，从而起到更好控制焊接质量的作用。

3.4 适用范围

需要说明的是，焊缝尺寸参数需根据焊接接头的实际受力需求进行设计，一般非关键受力焊缝或联系焊缝，采用角焊缝或部分熔透焊缝即可，避免过度焊接。PCJP焊接质量控制方法仅适合于焊接结构中有高承载要求的关键T形接头焊缝，如钢桥结构中的桥面板常规8mm厚U肋焊缝，以及钢锚箱、钢锚梁中的主要承力焊缝等。

4 应用案例

正交异性钢桥面板结构具有重量轻、承载能力强的特点，在钢结构桥梁中得到了广泛应用。其中，桥面板纵向加劲U肋与桥面板连接焊缝极为关键。主要特点有：U肋焊缝数量多、焊接量大，一座跨径千米级钢结构桥梁，桥面板U肋角焊缝总长达10万m以上；U肋作为封闭型构件，内部空间狭小，焊接难度大，传统单面焊的焊根熔合质量不易控制，新型双面焊的内焊质量控制难度大；U肋焊缝抗疲劳性能要求高，受桥面车轮载荷的反复作用，易产生疲劳裂纹，且疲劳裂纹的检测与修复困难。正交异性钢桥面板结构如图4所示。

由于U肋内部空间狭小，传统工艺只能从外侧进行单面焊接，对U肋焊缝抗疲劳性能较为不利，国内企业成功开发了U肋内焊技术[7]，从2016年起开始推广应用U肋新型双面焊技术，采用气体保护焊或埋弧焊工艺。PCJP焊接质量控制方法在多个钢桥项目的桥面板U肋焊接中得到了良好的应用，其中“深中通道”项目要求钢桥面板U肋焊缝全熔透检测一次合格率不低于96%，未焊透部分焊缝熔深不低于U肋板厚的75%。

“深中通道”钢桥面板U肋与桥面板连接形成T形接头焊缝，U肋板厚8mm，免开坡口，在专用自动化焊接设备上进行焊接，采用免清根双面埋弧焊工艺，内外侧各一道焊接成形，焊接效率高。U肋内外焊场景如图5所示。内焊焊丝直径1.6mm、焊接电流400～420A、电弧电压32～34V、焊接速度400mm/min；外焊焊丝直径3.2mm、焊接电流630～650A、电弧电压33～35V、焊接速度510mm/min。U肋全熔透、部分熔透焊缝宏观金相如图6所示。

图6 焊缝宏观金相

已完成“深中通道”约80万m桥面板U肋焊缝的焊接工作，并对U肋焊缝进行了超声波检测。超声波检测如图7所示。结果显示，全熔透焊缝检测一次合格率稳定在98%左右，绝大部分未焊透焊缝的熔深不低于U肋板厚的75%，免于返修；相比100%全熔透焊缝要求，避免了返修焊对焊缝性能的不利影响。总体而言，采用PCJP焊接质量控制方法，实现了U肋焊缝的优质高效焊接。

图7 超声波检测

5 结束语

鉴于T形接头清根全熔透焊接工艺存在一定的弊端，基于工程思维，提出了T形接头“部分全熔透焊缝”焊接质量控制方法，并阐明了其概念、原理及适用范围。对于高承载要求的T形接头焊缝，采用“部分全熔透焊缝”焊接质量控制方法，实施免清根焊接工艺，可实现焊接结构产品的高品质焊接、高效化生产。