基于新型GT785D高強(qiáng)鋼的昆侖號架橋機(jī)主梁焊接研究

趙青龍

（中鐵十一局集團(tuán)漢江重工有限公司 湖北襄陽 441046）

1 引言

近年來我國高速鐵路建設(shè)逐年向東南沿海和西南地區(qū)發(fā)展，針對東南沿海灘涂地帶、西南地區(qū)高山和深溝的地質(zhì)地貌，預(yù)應(yīng)力砼簡支箱梁橋成為適應(yīng)這一地質(zhì)地貌高鐵建設(shè)的最佳選擇。國家為了進(jìn)一步降低預(yù)應(yīng)力砼簡支箱梁橋的建造成本，大跨度高鐵40 m預(yù)應(yīng)力砼簡支箱梁應(yīng)用而生［1］。高鐵40 m預(yù)應(yīng)力砼簡支箱梁重量接近1 000 t，較以往高鐵32 m預(yù)應(yīng)力砼簡支箱梁增加了100 t多，其斷面尺寸也有所增加。目前市場上的高鐵32 m預(yù)應(yīng)力砼簡支箱梁架橋機(jī)已無法滿足高鐵40 m預(yù)應(yīng)力砼簡支箱梁的架設(shè)任務(wù)。為解決高鐵40 m預(yù)應(yīng)力砼簡支箱梁的架設(shè)，開展了高鐵1 000 t/40 m梁昆侖號架橋機(jī)（運架一體機(jī)）的研究［2］。

昆侖號架橋機(jī)設(shè)計需滿足過隧架梁作業(yè)要求，但是現(xiàn)有高速鐵路隧道斷面尺寸并未增加，架橋機(jī)外形尺寸受限。同時，40 m預(yù)應(yīng)力砼簡支箱梁橋面承載力有限，要求架橋機(jī)不宜過重。在上述兩種條件下，昆侖號架橋機(jī)采用輕量化設(shè)計將是唯一選擇。

目前市場上各類高鐵32 m預(yù)應(yīng)力砼簡支箱梁架橋機(jī)主要所使用的Q355和Q460材料已無法滿足昆侖號架橋機(jī)輕量化設(shè)計條件下的強(qiáng)度和剛度要求，更高級別高強(qiáng)鋼在昆侖號架橋機(jī)上的應(yīng)用將成為首要選擇。

2 昆侖號架橋機(jī)用新型GT785D高強(qiáng)鋼研制簡介

2.1 昆侖號架橋機(jī)主梁用高強(qiáng)鋼設(shè)計技術(shù)要求

昆侖號架橋機(jī)設(shè)計時考慮隧道斷面尺寸、運架梁各種工況下架橋機(jī)與橋面承受力和已架設(shè)梁橋墩受力等因素，最終確定其主梁截面尺寸為2.4 m×4.8 m，采用的高強(qiáng)鋼的抗拉強(qiáng)度不低于785 MPa。同時為增強(qiáng)昆侖號架橋機(jī)沖擊載荷作用下吸收塑性變形功和斷裂功的能力，設(shè)計要求其在－20℃條件下的沖擊功不小于120 J。

2.2 新型GT785D高強(qiáng)鋼組成與性能

目前國內(nèi)沒有能夠承受如此高沖擊功的該級別高強(qiáng)鋼，為此需要研制新型785 MPa級高強(qiáng)鋼。

公司聯(lián)合鋼鐵研究單位在統(tǒng)計分析現(xiàn)有該級別高強(qiáng)鋼的各項性能指標(biāo)后，通過采取煉鋼純凈鋼控制技術(shù)、高質(zhì)量鑄坯控制技術(shù)、軋鋼熱處理工藝優(yōu)化、實驗室系列工藝摸底等措施，通過增加微量合金元素不斷優(yōu)化合金成分，最后成功研制了滿足設(shè)計要求的新型特制高強(qiáng)鋼，并命名為GT785D（GT-高鐵）。力學(xué)性能及成分如表1、表2所示。

表1 GT785D高強(qiáng)鋼力學(xué)性能

表2 GT785D高強(qiáng)鋼化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

3 昆侖號架橋機(jī)GT785D高強(qiáng)鋼主梁焊接研究

昆侖號架橋機(jī)（見圖1）主梁是重要受力構(gòu)件，其結(jié)構(gòu)設(shè)計相對復(fù)雜，焊縫較多，焊接質(zhì)量要求高。其主梁所采用的新型GT785D高強(qiáng)鋼屬首次使用，其他同級別高強(qiáng)鋼在高鐵施工設(shè)備上使用頻次少，相關(guān)制造企業(yè)尚無成熟的同級別高強(qiáng)鋼焊接工藝可借鑒。高強(qiáng)鋼焊接施工易出現(xiàn)冷裂紋［3］，如不對焊接性能進(jìn)行準(zhǔn)確分析并采取合理的工藝措施將會帶來嚴(yán)重的后果。

圖1 昆侖號架橋機(jī)架梁作業(yè)

3.1 新型GT785D高強(qiáng)鋼初步焊接實驗

昆侖號架橋機(jī)所采用的新型GT785D高強(qiáng)鋼的厚度主要有 10、12、14、16、20、30、40、50 mm。其中主梁（見圖2）腹板厚度為14 mm，翼緣板厚度為30 mm和50 mm兩種。

圖2 主梁結(jié)構(gòu)斷面圖

3.1.1 焊接材料和焊接方法的選擇

高強(qiáng)鋼的焊接質(zhì)量對于焊材氫含量和焊接過程中熱輸入的控制要求比較嚴(yán)格［4］，低氫材料、較小的熱輸入將是焊接過程中的重要控制項?；谏鲜鲆螅壳皣鴥?nèi)市場高強(qiáng)鋼焊接材料領(lǐng)域較為成熟的主要有實心焊絲和焊條兩種。考慮工廠生產(chǎn)條件和生產(chǎn)效率，按照等強(qiáng)匹配原則［5］選用CHW-80C1實心焊絲（見表3）富氬氣體保護(hù)焊［6］。

表3 CHW-80C1焊絲化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

3.1.2 焊接參數(shù)選擇

根據(jù)昆侖號架橋機(jī)主梁結(jié)構(gòu)形式、生產(chǎn)條件等，選取具有代表性的14 mm和30 mm兩種板厚的新型GT785D高強(qiáng)鋼進(jìn)行焊接性分析探究。

根據(jù)《焊接工程師手冊》［7］，通過計算可以得出以上兩種厚度鋼板的碳當(dāng)量分別為0.47（δ＝14 mm）和0.49（δ＝30 mm），其碳當(dāng)量 CE（IIW）＝0.4%～0.6%時需要預(yù)熱。計算其冷裂紋敏感系數(shù)分別為0.237（δ＝14 mm）和0.244（δ＝30 mm）；冷裂紋敏感指數(shù)分別為0.294（δ＝14 mm）和0.327（δ＝30 mm）。結(jié)合以上參數(shù)綜合計算，其理論預(yù)熱溫度分別為31℃（δ＝14 mm）和78℃（δ＝30 mm）。

3.1.3 焊接實驗

（1）斜Y形坡口焊接裂紋試驗

根據(jù)計算結(jié)果以最高理論計算預(yù)熱溫度為參考，分別在60℃和80℃兩種預(yù)熱溫度條件下對板厚14 mm和30 mm兩種板厚高強(qiáng)鋼做斜Y坡口焊接裂紋試驗，試驗結(jié)果表明：GT785D高強(qiáng)鋼預(yù)熱溫度在60℃時，焊接試件均出現(xiàn)了裂紋；而預(yù)熱溫度80℃時，焊接試件未出現(xiàn)裂紋，如圖3所示。根據(jù)試驗結(jié)果，初步設(shè)定該板厚的高強(qiáng)鋼預(yù)熱溫度為80℃。

圖3 試驗結(jié)果

（2）構(gòu)件焊接實驗驗證

選取板厚為δ＝30 mm的新型GT785D高強(qiáng)鋼設(shè)計一箱形梁進(jìn)行焊接性實驗驗證。焊前采用火焰加熱法預(yù)熱，預(yù)熱溫度為80℃，焊后自然冷卻。焊接后48 h進(jìn)行超聲波探傷和表面磁粉探傷，發(fā)現(xiàn)焊縫焊趾出現(xiàn)微小表面裂紋，通過分析該裂紋為氫致冷裂紋［8］，如圖4所示。該高強(qiáng)鋼以理論計算和斜Y裂紋試驗所得出的預(yù)熱溫度下，采用火焰加熱法預(yù)熱，焊接并不能保證焊縫質(zhì)量。

圖4 實驗焊縫裂紋

試驗結(jié)果顯示該高強(qiáng)鋼極易出現(xiàn)氫致冷裂紋。根據(jù)具體試驗和分析氫致冷裂紋防治措施［9］，主要因素為預(yù)熱溫度、預(yù)熱方式和后熱消氫處理等［10］。

3.2 新型GT785D高強(qiáng)鋼焊接優(yōu)化

3.2.1 預(yù)熱方式

在廠房施工環(huán)境條件下，由于受空氣對流、結(jié)構(gòu)件熱傳導(dǎo)、預(yù)熱措施等影響因素下，預(yù)熱溫度難以控制在某一固定值，導(dǎo)致構(gòu)件實際預(yù)熱效果沒有達(dá)到預(yù)期。最后調(diào)整預(yù)熱方式采用陶瓷電加熱片進(jìn)行加熱，并通過溫度控制設(shè)備進(jìn)行實時溫度監(jiān)控。

3.2.2 預(yù)熱溫度

結(jié)合焊接實驗結(jié)果及查閱文獻(xiàn)參考同級別高強(qiáng)鋼預(yù)熱溫度［11］，考慮實際施工熱量損失暫設(shè)定最低預(yù)熱溫度為100℃。

3.2.3 后熱消氫處理

根據(jù)高強(qiáng)鋼氫致冷裂紋防治措施，采取后熱消氫處理。根據(jù)該高強(qiáng)鋼的成分，通過計算其產(chǎn)生冷裂紋的理論上限溫度為90℃，故須在焊接后焊縫溫度在90℃之上應(yīng)立即加熱進(jìn)行后熱處理，后熱采取200℃保溫2 h進(jìn)行消氫處理。

采取上述預(yù)熱及后熱措施，再次進(jìn)行實驗（見圖5），結(jié)果沒有出現(xiàn)上述裂紋。

圖5 焊接實驗

3.3 焊接試件力學(xué)性能驗證

根據(jù)昆侖號架橋機(jī)主梁結(jié)構(gòu)特點選擇三種具有代表性的焊接接頭形式進(jìn)行焊接實驗，接頭形式如圖6所示。采用優(yōu)化后的焊接工藝進(jìn)行焊接，經(jīng)檢測其各項指標(biāo)均滿足設(shè)計及規(guī)范要求，另外通過制作焊接接頭低倍金相，發(fā)現(xiàn)不存在氣孔及裂紋等缺陷，綜合結(jié)果達(dá)到設(shè)計要求。接頭試件及金相圖如圖7所示。

圖6 焊接接頭形式（單位：mm）

圖7 焊接接頭金相圖

3.4 焊接質(zhì)量控制措施

為確保昆侖號架橋機(jī)主梁的焊接質(zhì)量，結(jié)合新型GT785D高強(qiáng)鋼焊接實驗結(jié)果，采取如下焊接質(zhì)量控制措施。

3.4.1 準(zhǔn)備階段

（1）根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合昆侖號架橋機(jī)主梁結(jié)構(gòu)形式，對新型GT785D高強(qiáng)鋼進(jìn)行焊接工藝評定，制定合理焊接施工工藝。

（2）組織焊接作業(yè)相關(guān)人員進(jìn)行培訓(xùn)，讓其充分了解焊接作業(yè)要求，保證焊接作業(yè)的規(guī)范性。

（3）在材料方面，因高強(qiáng)鋼對氫比較敏感，對于水分、銹蝕要求較高，主要控制焊絲防潮和焊接用富氬氣體含水量。

（4）焊接后采用振動時效處理方法消除焊接殘余應(yīng)力。

3.4.2 施工階段

（1）采用電加熱溫控設(shè)備對待焊部位進(jìn)行預(yù)熱，焊接預(yù)熱按100～150℃控制。

（2）焊接過程中嚴(yán)格控制焊接熱輸入［12］，熱輸入控制在12～20 kJ/cm，焊接層間溫度控制在120～180℃。

（3）焊接后對焊縫加熱至200～250℃并保溫2 h進(jìn)行消氫處理。

（4）焊接時嚴(yán)格執(zhí)行焊接技術(shù)要求，并監(jiān)督及記錄焊接參數(shù)，后熱消氫處理要對溫度進(jìn)行監(jiān)控，確保消氫處理質(zhì)量。

3.4.3 檢驗階段

焊接完成48 h后采取磁粉和超聲波進(jìn)行100%探傷，關(guān)鍵焊縫再采用射線探傷進(jìn)行抽檢。合格焊縫在兩周后再對已探傷合格焊縫按照10%～20%的進(jìn)行抽檢，確保焊縫無延遲裂紋產(chǎn)生。

為確保焊縫質(zhì)量萬無一失，在昆侖號架橋機(jī)重載試驗、首孔箱梁架設(shè)后，對主梁焊縫進(jìn)行磁粉和超聲波抽檢探傷，如圖8所示。檢驗結(jié)果全部合格。

圖8 主梁焊縫現(xiàn)場抽檢

4 結(jié)論

昆侖號架橋機(jī)已在新建福廈鐵路FX-4標(biāo)段湄洲灣跨海大橋工程中架設(shè)270余孔高鐵40 m預(yù)應(yīng)力砼簡支箱梁。通過對新型GT785D高強(qiáng)鋼焊接研究可得出以下結(jié)論：

（1）研發(fā)的新型GT785D高強(qiáng)鋼滿足40 m預(yù)應(yīng)力砼簡支箱梁架橋機(jī)輕量化設(shè)計要求。

（2）優(yōu)化的新型GT785D高強(qiáng)鋼焊接工藝保證了架橋機(jī)安全性要求。

（3）采用富氬氣體保護(hù)焊，選用的CHW-80C1焊絲與新型GT785D高強(qiáng)鋼匹配，其焊接質(zhì)量滿足設(shè)計要求。

（4）優(yōu)化后的焊接工藝參數(shù)為：采用陶瓷電加熱片加熱，焊接預(yù)熱溫度100～150℃，層間溫度控制120～180℃，焊后在200～250℃保溫2 h等。