1前言
在建筑钢结构领域，当前焊接工序正面临技能人员不足的问题，同时还要求提升生产效率与焊接质量。在钢结构加工厂，冷成型方形钢管的焊接已普及采用多关节机器人自动焊接；焊接箱型截面柱（以下简称“BOX柱”）则采用多电极埋弧焊、电渣焊等大热输入焊接方法。为满足进一步提升生产效率与焊接质量的需求，神户制钢正致力于开发建筑钢结构用机器人系统与专用焊接焊丝，以及适配各强度等级钢材（含780MPa级钢）的焊接材料。本文介绍神户制钢建筑钢结构用气体保护电弧焊、埋弧焊、电渣焊材料按钢材强度等级划分的产品阵容以及各类焊接材料的最新发展趋势。
2 二氧化碳气体保护电弧焊用实心焊丝 2.1按钢材强度等级划分的焊接材料产品阵容 表1给出按钢材强度等级划分的建筑钢结构用实心焊丝产品阵容。建筑钢结构中具有代表性的柱材，是采用钢板冷加工成型的建筑结构用冷成型方形钢管（以下简称“方管柱”）。方管柱因冷成型加工硬化，强度高于原料钢板，因此焊接材料需考虑加工硬化影响进行选型。例如：590MPa级方管柱需选用690MPa级钢用二氧化碳气体保护电弧焊实心焊丝TRUSTARCTM MG-70、TRUSTARCTM MG-70R（N）。 钢结构加工厂广泛采用多关节机器人焊接系统进行方管柱焊接。针对建筑钢结构用焊接机器人系统，神户制钢开发了可实现高效率、低飞溅的REGARCTM工艺，并开发了该工艺专用焊丝。其中，N系列对应REGARCTM专用焊丝；A系列对应NEW REGARCTM专用焊丝。 2.2 NEW REGARCTM焊接专用实心焊丝FAMILIARCTM MG-56R（A） NEW REGARCTM工艺在传统REGARCTM工艺基础上进一步优化波形控制，提升喷射过渡区间熔滴稳定性并降低飞溅。其最大送丝速度从16.4m/min提升至18.0m/min，最大焊接电流从320A提升至340A。送丝速度提升会使送丝路径内壁对焊丝的反作用力上升，导致焊丝表面镀铜易脱落，在送丝路径的导管衬套、内管、导电嘴处堆积固体杂质，阻碍稳定送丝。为此，神户制钢开发了A系列焊丝，通过特殊表面处理实现稳定送丝，减少堵塞量。 将FAMILIARCTM MG-56R（A）与FAMILIARCTM MG-56R（N）对比，评价NEW REGARCTM工艺下衬套、内管、导电嘴的固体堵塞量。焊接电流350A、连续焊接5h，测量每10kg焊丝在送丝路径内的堵塞量。结果发现，FAMILIARCTM MG-56R（A）因降低焊丝表面与导管衬套/内管的滑动摩擦阻力，表面镀铜更不易脱落。 焊接接头性能采用490MPa级方管柱（板厚32mm）与贯通隔板（JIS G 3136 SN490B，板厚36mm）进行评价。焊接热输入为35kJ/cm以下，层间温度为250℃以下，焊根间隙为4mm、10mm的两种接头。根部间隙10mm接头的焊缝金属力学性能见表2。夏比冲击试样取自方管柱上表面沿板厚方向7mm深度位置。由直缝接头与角接接头的宏观截面可见，熔深与焊道表面成型良好；焊缝金属强度与夏比吸收功均充分满足建筑钢结构要求标准。 2.3 780MPa级钢用实心焊丝TRUSTARCTM MG-82 焊接材料不仅要求焊缝金属力学性能，还需改善焊接作业性以提升前后工序效率，尤其要求降低飞溅、提升送丝性。为改善送丝性，神户制钢开发了一种表面处理技术，并将其应用于高强钢实心焊丝生产。以下介绍780MPa级钢用实心焊丝TRUSTARCTM MG-82。 改良型TRUSTARCTM MG-82焊丝通过制造过程中的焊丝表面处理，相比传统产品实现更优送丝性与电弧稳定性。为评价严苛条件下的送丝性能，将 6m 长焊枪电缆布置为弯曲半径 300mm的送丝路径，评价焊接时焊接电流、电弧电压、送丝阻力。焊丝直径1.2mm，焊接电流、电压、速度分别为300A、36V、30cm/min。相比传统型焊丝，改良型焊丝的送丝阻力波动更小、更稳定。送丝阻力波动不仅影响电弧稳定性与飞溅发生，还会加剧半自动焊接时的焊枪振动。因此，改良型焊丝在保证焊接作业稳定性的同时，可有效降低现场作业劳动强度。 3 埋弧焊焊接材料 3.1 BOX柱角接头用焊接材料产品阵容 BOX柱角接头广泛采用大热输入单道埋弧焊（SAW）。表3给出按照钢材强度等级划分的BOX柱角焊用SAW焊接材料产品阵容。 近年来，神户制钢开发了780MPa级钢用焊接材料，以及应对单层单道难以焊接的高强度超厚板的双层双道焊接用焊接材料。 3.2 550MPa/590MPa级钢用超厚板角接头双道焊接材料 随着建筑向高层、大型化发展，钢结构构件板厚不断增大，市场对高效焊接技术的需求愈发迫切。BOX柱角焊用SAW材料设计为板厚至60mm可通过单层单道大热输入焊接确保稳定焊接质量。但板厚超过60mm时，焊道成型与熔深难以稳定，无法满足超厚板高效率焊接需求。针对该课题，业界探讨采用较大热输入的三层四道、二层三道焊接工艺，但经验表明，经两次热循环的焊缝金属易产生微裂纹。双层双道焊接仅经历一次热循环，可兼顾高效率与焊接质量稳定性。为此，神户制钢开发与传统专用焊丝TRUSTARCTM US-49组合使用的新型焊剂TRUSTARCTM PF-I60K。以下介绍该组合的各项性能。外壁板采用KCL A385C（75mm）、SA440C-ST（80mm），制作模拟BOX角接接头的L型试件。表4为焊接条件，表5为焊缝金属力学性能。焊缝金属拉伸性能充分满足母材标准，夏比吸收功单项值与平均值均远超27J要求。 超厚板多层焊接接头具有冷裂纹敏感性，因此采用窗形拘束裂纹试验确定预热及层间温度。为提高焊缝金属裂纹敏感性，试验钢板选用Pcm较高的JIS G 3106 SM490A。焊接施工条件同表4，即第一道无预热（约15℃），第二道层间温度150℃。焊接完成后室温放置48h，从拘束板取下试验板进行超声波探伤（UT）。UT条件是基准灵敏度+10dB，探头置于打磨后焊道正上方。试验结果证实，未检出超标信号，确认在实际使用条件下，无预热、层间温度 150 -250 ℃工况，抗冷裂纹性能合格。 建筑钢结构用焊接材料需依据JIS Z 3183划分熔敷金属类别。对TRUSTARCTM PF-I60K/TRUSTARCTM US-49组合进行熔敷金属拉伸、冲击、扩散氢试验，结果见表6。熔敷金属质量分类可达JIS Z 3183 S621-H4，确认可用于590MPa级高强钢。 3.3 780MPa级钢BOX柱角接头单道焊接材料 近年来受钢材高强度化带来的钢板薄壁化趋势推动，780MPa级钢开始得以推广应用。590MPa级钢的BOX柱角接头焊接广泛采用单道埋弧焊，但780MPa级钢的BOX柱角接头焊接主要采用焊接效率低的小热输入多道焊接。780MPa级钢焊缝金属低温裂纹敏感性极高，需严格管控预热与层间温度，且小热输入多道焊接电弧持续时间长、生产效率低。以下介绍可实现780MPa级BOX柱角接头单道焊接的埋弧焊材料：焊剂TRUSTARCTM PF-I80ES、焊丝TRUSTARCTM US-80SP的各项特性。 在焊接材料标准方面，焊丝采用JIS Z 3351 YSNM6，焊剂采用JIS Z 3352 SACG-I1，熔敷金属质量分类为JIS Z 3183 S804-H4。焊接接头性能是针对采用大热输入焊接的780MPa级钢外壁板（板厚50mm）、依照表7所示的焊接条件进行评价。评价结果：780MPa级钢板所用焊接材料的焊接工艺性能与590MPa级及以下钢板用焊接材料相当，熔深充足、焊缝成形良好。焊缝金属力学性能见表8。拉伸试样取自焊缝金属中心，位置距母材表面 10mm；夏比冲击试样取自距母材背面 7mm 的焊缝金属。试验结果表明，焊缝金属拉伸性能满足母材标准要求，且夏比吸收功平均值满足27J以上要求。 4 电渣焊材料 4.1按钢材强度等级划分的焊接材料产品阵容 电渣焊（ESW）是主要适用于厚板立焊的高效率焊接工艺。该工艺是向坡口内形成的熔融渣池连续送进焊丝，利用焊丝通电产生的熔融渣电阻热熔化焊丝与母材。在建筑钢结构领域，广泛用于BOX柱中外壁板与内隔板的焊接。表9给出按照钢材强度等级划分的产品阵容。 ESW可在较宽板厚范围内实现单道焊接，焊接几乎无飞溅，熔敷效率接近100%，但该工艺焊接热输入大，如果确保焊接接头性能稳定是需要解决的关键问题。为此，神户制钢正致力于开发建筑钢结构用ESW焊丝。 4.2 550MPa/590MPa级钢用药芯焊丝 在当前针对高强度、大截面焊接需求的解决方案中，随着焊接热输入的增大，为确保焊接接头性能，需在焊丝中增加合金成分；然而对于实心焊丝而言，存在焊丝硬度增加导致制造工艺面临挑战的风险以及对焊丝输送性能产生不利影响的可能性。为此，以合金成分设计容易的药芯焊丝为基础，开发出适配550MPa/590MPa级钢材的焊丝FAMILIARCTM EM-56ST和TRUSTARCTM EM-60ST。表10给出依据JIS Z 3353标准进行焊接试验时焊缝金属的力学性能。所有焊丝直径均为1.6mm，并与FAMILIARCTM EF-38焊剂配套使用。 为考察焊接接头性能，选取实际工程中常用板厚、且热输入更大的内隔板与外壁板组合（60mm×40mm及65mm×45mm），开展模拟箱形柱内隔板的T型简易接头试验。钢板组合见表11，焊接条件见表12。表13给出了焊接接头的力学性能。结果证实，所有焊接接头的拉伸性能及夏比冲击性能均满足规范要求。在夏比冲击性能方面，不仅焊缝金属，就连电渣焊（ESW）焊缝区要求的母材相关性能，即熔合线及热影响区（HAZ，熔合线+1mm），也均满足规范要求。 5 总结 针对建筑钢结构制造的高效率化、建筑钢结构用钢板高强度化与厚壁化等市场需求，神户制钢开发了一系列焊接材料以及相关的焊接施工技术。
