大跨度公路橋扁平流線型鋼箱梁焊接質(zhì)量控制技術(shù)

李坤鵬

上海振華重工（集團）股份有限公司 上海 200125

1 結(jié)構(gòu)特點

海南鋪前大橋跨海主橋橋長460m，采用（230m+230m）米獨塔斜拉橋，主橋采用等截面鋼箱梁（如圖1所示）。頂板16mm厚、底板14mm厚，均采用U型加勁肋加勁，邊腹板板厚均為30mm，縱隔板在不同位置設(shè)置了實腹式和斜撐桿的空腹式構(gòu)造兩種隔板形式，橫隔板采用整體式結(jié)構(gòu)，除節(jié)段間頂板加勁肋采用栓接，其余結(jié)構(gòu)全部焊接[1]。

圖1 跨海主橋標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段構(gòu)造圖

2 鋼箱梁焊接技術(shù)

鋼箱梁焊接一般分為工廠內(nèi)節(jié)段制造焊接和橋位現(xiàn)場環(huán)縫焊接，目前鋼箱梁的工廠焊接已經(jīng)發(fā)展到機械自動化程度，但橋位環(huán)縫連接主要還是由人工焊接和半自動焊接相結(jié)合的作業(yè)形式。焊接工藝的貫徹執(zhí)行是決定著鋼箱梁的總體焊接質(zhì)量。

2.1 一般工藝要求

鋼箱梁在開工制造前首先要完成所有類型焊接接頭焊接工藝評定試驗，并組織專家會對焊評報告進行評審總結(jié)。焊接工藝評定試驗盡可能模擬該項目批量焊接作業(yè)時實際工況。焊接工藝（WPS）必須按照評定通過的焊接工藝評定報告編制。施焊應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行焊接工藝卡的規(guī)定。焊接參數(shù)只能在工藝卡規(guī)定的范圍內(nèi)調(diào)整，不得隨意變更。

鋼構(gòu)件組焊場地的平臺處均應(yīng)設(shè)置腹板及加勁肋的定位裝置，以保證鋼箱梁節(jié)段之間的現(xiàn)場連接準(zhǔn)確度。

焊接前所有焊接坡口的切割面、待焊區(qū)域內(nèi)的車間底漆及其他有害物，應(yīng)清除打磨干凈，要求露出金屬光澤（如圖2所示）。

圖2 接頭部位清理范圍

所有拼接的對接焊縫，以及鋼箱梁的⊥型角焊縫，必須按照規(guī)定在焊縫端部組裝引、熄弧板。在起熄弧處分別設(shè)置一對引、熄弧板，其材質(zhì)、厚度、坡口與所焊件相同。

多層多道焊的每道焊完后必須將藥皮、熔渣和飛濺打磨干凈，清除焊接缺陷后再焊下一道。焊接熔透角接焊縫時，必須為多道施焊并盡可能減少每一道的熔敷金屬填充量[2]。

2.2 焊接材料及焊前預(yù)熱

焊接材料必須是焊接工藝評定確定，經(jīng)檢驗合格的材料，方可投入使用。焊材表面的油、銹必須清除干凈，焊劑中不允許混入熔渣和雜物。焊劑、焊條必須按表1的要求或產(chǎn)品說明書烘干使用，烘干的焊接材料隨用隨取。當(dāng)從烘干箱取出的焊接材料超過4小時，將重新烘干后使用，焊條的重復(fù)烘干次數(shù)不能超過2次。

表1 焊條、焊劑烘干溫度

二氧化碳氣體純度大于99.5%，焊接時氣路中應(yīng)接入保護氣體流量計（采用瓶裝二氧化碳氣體時，流量計應(yīng)能夠加熱）。

焊前預(yù)熱原則上盡量采用電加熱預(yù)熱，在焊縫很短，位置較小，及定位焊等不宜采用電加熱預(yù)熱時，擬采用氧乙炔火焰預(yù)熱。

兩塊不同厚度板對接或角接時，預(yù)熱溫度根據(jù)較厚板的預(yù)熱溫度進行，預(yù)熱范圍為焊縫兩側(cè)各100mm以上,距焊縫30-50mm范圍內(nèi)側(cè)。定位焊的焊前預(yù)熱溫度，要比正式施焊的預(yù)熱溫度高50℃，預(yù)熱長度為定位焊縫長度的2至4倍。在施焊過程中，層間溫度應(yīng)控制在預(yù)熱溫度至200℃之間。為防止T型接頭出現(xiàn)層狀撕裂，必須特別注意厚板一側(cè)的預(yù)熱效果。

2.3 定位焊

定位焊前，必須按要求檢查所焊構(gòu)件坡口尺寸、根部間隙等，符合要求時，方準(zhǔn)許進行定位焊。定位焊在構(gòu)件的起始端時，需離開焊縫端部30mm以上，避免交叉焊縫處的應(yīng)力集中。定位焊縫長度大于50mm小于100mm，間距控制在400至600mm之間，焊腳尺寸一般小于0.5倍設(shè)計焊腳尺寸，定位焊的焊腳不小于4mm。定位焊焊后應(yīng)徹底清除熔渣，進行多道定位焊時，應(yīng)在端部過渡處做出臺階，成漸變形緩慢過渡[3]。

2.4 關(guān)鍵部位焊接

（1）頂、底板單元焊接。U肋端部有鋼襯墊或端封板的，先焊U肋端部鋼襯墊或端封板。頂、底板單元U肋角焊縫焊接時，先將板單元固定在預(yù)制好縱、橫向反變形的馬鞍形胎架上，周邊用絲杠壓緊后焊接，焊接優(yōu)先選用自動化程度較高的焊接機器人、龍門焊機或二氧化碳自動焊小車施焊。焊接時應(yīng)適當(dāng)調(diào)整焊槍的偏轉(zhuǎn)角度以保證最大熔深。在二氧化碳氣體保護自動焊過程中，操作者必須實時跟蹤觀察電弧狀態(tài)、位置和機器人焊槍的行進，以確保焊接質(zhì)量。板單元焊接結(jié)束，待所有焊縫冷卻后再松開反變形胎架上的絲杠。

（2）橫隔板與頂板角焊縫的焊接。橫隔板與頂板的平角焊縫，在U肋與隔板接板相交處80mm范圍內(nèi)不得進行起、熄弧。焊縫在弧形切口處端部應(yīng)圍焊并打磨圓順，包角焊縫處半徑大于U肋板厚。

（3）板單元加勁角焊縫的焊接。優(yōu)先采用二氧化碳自動焊焊接板單元加勁，對于自動焊小車無法焊接的板單元加勁角焊縫可以采用二氧化碳氣體保護焊半自動焊。按照從中間向兩側(cè)對稱并同向的原則施焊，為減小焊接變形，先焊長焊縫后焊短焊縫。

（4）橫隔板、縱隔板單元的焊接。板單元上的板肋角焊縫、人孔圈角焊縫采用焊接機器人或二氧化碳焊接小車平位施焊。采用二氧化碳氣體保護半自動焊焊接板肋與板肋件立位角焊縫和自動化焊接不到的位置。節(jié)段組裝時，縱隔板及橫隔板對接立焊縫均采用自動焊小車進行施焊。

（5）焊接變形控制。接頭組裝要求：坡口角度和根部組裝間隙過大會造成熱輸入引起焊接變形，在滿足設(shè)計要求及焊工可操作的情況下，盡量減小開坡口的角度和根部間隙，有利于減小焊接角變形和收縮變形。

焊接方法及工藝參數(shù)：盡量選用熱輸入較小的焊接方法，采用多層多道施焊。頂、底板單元在節(jié)段組裝時縱向拼縫焊接采用二氧化碳氣體保護焊打底，埋弧焊蓋面。其余部位焊接接頭均采用二氧化碳氣體保護焊，焊絲直徑選用1.2mm，打底焊電流不能過大。

反變形法：對于頂、底板單元平面外的縱橫向彎曲變形和焊接腳變形，一般采用在板單元焊接胎架上預(yù)設(shè)反變形用以抵消焊接帶來的變形。鋼箱梁節(jié)段拼裝制造時，在拼裝胎架上先設(shè)置橫向預(yù)拱度（橫向反變形），用以抵消梁段焊接成型后的橫向上翹變形。實際應(yīng)用中，可根據(jù)經(jīng)驗預(yù)估反變形量，在反變形胎架上預(yù)設(shè)反變形。

預(yù)留收縮量：預(yù)留收縮量是解決橫向收縮和縱向收縮的主要方法，該方法與焊接方法、坡口形式、組裝間隙、焊接熱輸入、構(gòu)件的約束狀態(tài)等都有關(guān)系，因此預(yù)留收縮量的大小要有大量的經(jīng)驗數(shù)據(jù)來支持。一般預(yù)留的收縮量，在零件套料時已經(jīng)考慮在內(nèi)。

剛性固定：現(xiàn)場節(jié)段拼裝利用夾具、胎具等強制手段，以外力固定被焊件來減小焊接變形，具體方法有胎具固定法和局部增加剛性法。對于一些大型構(gòu)件或結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的焊件，也可以先組裝后焊接，即先將焊件點焊或分段定位后，再進行焊接。此種做法可以利用焊件整體結(jié)構(gòu)之間的相互約束來減小焊接變形，。采用“馬板”進行定位時，“馬板”只能單側(cè)定位焊。馬板的長度不小于300mm，寬度不小于120mm。焊腳大小6-8mm為宜，端部避開10mm不焊。卡馬安裝間距控制500-1000mm，根據(jù)結(jié)構(gòu)需要增加或減少，卡馬距焊縫兩端＞100mm。打底焊時，采用跳弧焊越過卡馬板，實現(xiàn)連弧焊接。卡馬板預(yù)熱、后熱與正式焊縫要求一致，打底焊完成后，解除卡馬板預(yù)留2-3mm根茬，采用磨平方式處理，但不能傷及母材，馬板拆除位置需進行磁粉檢測。

焊接順序：海南鋪前大橋主橋鋼箱梁節(jié)段組裝焊接順序：對稱焊接底板縱向焊縫→對稱焊接橫隔板與底板單元焊縫（與斜底板的暫不焊）→焊接縱向腹板與底板焊縫→自下而上焊接縱腹板與橫隔板焊縫→橫隔板與斜底板間的焊縫→對稱焊接頂板縱向焊縫→焊接頂板下口橫隔板接板件的立對接焊縫→由下而上焊接橫隔板的對接焊縫→焊接橫隔板與橫隔板接板之間的橫向?qū)雍缚p→兩側(cè)對稱焊接風(fēng)嘴單元[4]。

調(diào)整焊接方向：對于同一焊接接頭，不同的焊接方向造成接頭位置產(chǎn)生的焊接應(yīng)力方向不同，在40-65mm的厚板多層焊接時，應(yīng)及時調(diào)整焊接方向，使焊接應(yīng)力在接頭位置相互抵消，最大程度的減小焊接應(yīng)力，從而減小焊接變形。

（6）焊縫磨修。焊接后，必須用氣割切掉兩端的引、熄弧板或產(chǎn)品試板，并磨平切口，不得損傷母材。焊接尺寸、焊波或余高等超出制造驗收規(guī)則中對焊縫的外觀要求上限值時應(yīng)修磨勻順，焊縫咬邊超過1mm或焊腳尺寸不足時，可采用手工電弧焊或二氧化碳氣體保護焊作返修處理。

3 焊縫檢驗及返修

3.1 外觀檢驗

焊縫外觀的檢測可以輔以放大鏡、焊縫量規(guī)和鋼尺。焊縫外觀質(zhì)量必須滿足項目《制造驗收規(guī)則》相關(guān)規(guī)定。

3.2 無損檢測

焊縫先要經(jīng)過外觀檢驗合格后再進行內(nèi)部質(zhì)量無損檢驗；焊縫焊接處理結(jié)束不能立即做無損檢測，須間隔24小后以后進行檢測；鋼板厚度大于30mm以上的焊接件，在焊接完畢48小時后進行無損檢測。

所有全熔透焊縫必須100%做超聲波檢測，其中頂、底板對接熔透焊縫除了進行100%的超聲波探傷同時須按合同及規(guī)范要求的比例做射線拍片檢測。海南鋪前大橋頂板U肋角焊縫除了磁粉檢測外，合同要求增加了相控陣檢測。同一條焊縫要求用兩種以上方法檢測時，要各自滿足檢測的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，才能判定合格。當(dāng)發(fā)現(xiàn)焊縫中有裂紋或未熔合缺陷時，缺陷附近的探傷范圍應(yīng)擴大一倍，甚至延至全長。

3.3 焊縫返修

以400mm長度為分界限，焊縫缺陷在此之上的，用二氧化碳氣體保護焊或埋弧自動焊焊接,反之用手工電弧焊。焊縫返修的焊接工藝嚴(yán)格按照WPS的規(guī)定執(zhí)行。修補焊縫一邊的開槽深度，不超出設(shè)計圖紙焊縫有效焊喉的65%，缺陷深度超過以上范圍時，需進行反面修補（仰位返修時除外）。

在修補焊縫需要捶擊時，應(yīng)對準(zhǔn)焊道或焊層的中間凸出表面，不允許對著母材或焊縫與母材的熔合處。凡需捶擊焊縫，錘頭應(yīng)做成半圓形R≥5mm，防止尖角造成應(yīng)力集中。

同一位置的焊縫返修次數(shù)必須控制在兩次內(nèi)。修補后的焊縫表面采用砂輪打磨勻順，打磨要求按照前面的規(guī)定，所有重大修補及返修焊縫，做好原始記錄交質(zhì)保部門備查。

4 結(jié)語

海南鋪前大橋鋼箱梁工程通過上述焊接質(zhì)量控制技術(shù)，焊縫超聲波探傷一次合格率在98%以上，磁粉探傷100%通過，工程順利通過交工驗收。本文以該工程為例對鋼箱梁焊接質(zhì)量控制技術(shù)進行了介紹，希望對今后相同結(jié)構(gòu)類型的橋梁鋼結(jié)構(gòu)焊接帶來一定的指導(dǎo)意義。