莆炎高速沙溪大橋焊接技術(shù)應(yīng)用研究

王佩，黃會(huì)強(qiáng)

中鐵寶橋集團(tuán)有限公司 陜西寶雞 721006

1 序言

耐候鋼橋梁具有全壽命周期成本低、工期短、維護(hù)簡化及綠色環(huán)保等優(yōu)勢，因而引起有關(guān)部門的高度重視，逐步成為國內(nèi)鋼橋建設(shè)尤其是山區(qū)橋梁的優(yōu)選材料。同時(shí)，高強(qiáng)度耐候鋼因其具有高強(qiáng)韌性和良好的耐蝕性，也得到了設(shè)計(jì)者的青睞，逐漸被用于受力較大的關(guān)鍵部位，大大減輕了鋼梁自重。莆炎高速沙溪大橋?yàn)槿该馔垦b耐候鋼橋，采用了鋼桁組合連續(xù)鋼構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式，主桁構(gòu)件為免涂裝耐候鋼，其中墩頂負(fù)彎矩區(qū)域上弦桿受力較大，因此采用了高強(qiáng)度Q500qDNH耐候鋼板。

2 工程概況

莆炎高速沙溪大橋主橋結(jié)構(gòu)如圖1 所示。該橋?yàn)殇撹旖M合梁，分左右兩幅，跨徑布置為（100+176+176+100）m，全長552.0m，主桁架桁高5.5～16m，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)間水平長12m，兩片主桁架弦桿中心距9.5m。

圖1 沙溪大橋主橋結(jié)構(gòu)

鋼桁梁主桁桿件采用焊接箱形斷面，平聯(lián)桿件為焊接工字形斷面。安裝時(shí)采用節(jié)段方式，最大節(jié)段重量130t。全橋總重約8600t，主要材質(zhì)包含Q345qDNH鋼、Q420qDNH鋼及Q500qDNH鋼，所有桿件均采用焊接連接。

3 焊接難點(diǎn)分析

（1）高強(qiáng)耐候鋼結(jié)構(gòu)焊接質(zhì)量控制難度大 耐候鋼因加入了較多的Cu、Cr、Ni等合金元素，理論上碳當(dāng)量較高，其焊接性比同級(jí)別的結(jié)構(gòu)鋼要差。目前，國內(nèi)耐候鋼尤其高強(qiáng)耐候鋼橋應(yīng)用較少，缺乏對(duì)相關(guān)耐候鋼焊接技術(shù)的研究[1]。因此，選用與母材相匹配的焊接材料、確定合理的焊接方法及工藝參數(shù)等，保證焊接質(zhì)量是本項(xiàng)目的一大難點(diǎn)。

（2）全焊鋼桁梁結(jié)構(gòu)的焊接變形難以控制 本項(xiàng)目主橋?yàn)槿附舆B續(xù)桁梁橋，鋼板厚度為8～50mm，結(jié)構(gòu)形式多，對(duì)接環(huán)口多。尤其在節(jié)段制作、橋位安裝過程中，均為熔透對(duì)接焊縫。因此，如何控制焊接變形、保證成橋線型是主橋制造重點(diǎn)控制的項(xiàng)目。

4 焊接工藝評(píng)定

4.1 焊接材料的選擇

針對(duì)鋼梁采用的Q345qDNH鋼、Q420qDNH鋼、Q500qDNH鋼，結(jié)合技術(shù)要求及焊絲焊接工藝性能，通過多次熔敷金屬對(duì)比試驗(yàn)，最終選定的試驗(yàn)用焊接材料見表1。

為了保證與耐候鋼板力學(xué)性能和耐候性能匹配，耐候鋼焊接材料中也添加了Cr、Ni、Cu等耐候性元素，從而滿足力學(xué)性能和耐腐蝕指數(shù)要求[2，3]。

4.2 預(yù)熱溫度及層間溫度的確定

通過公式計(jì)算典型厚度鋼板的焊前預(yù)熱溫度[4]，并選擇了幾種典型板厚鋼板，在不同預(yù)熱溫度下進(jìn)行斜Y形坡口焊接裂紋試驗(yàn)，通過焊接性試驗(yàn)擬確定本項(xiàng)目鋼板焊前預(yù)熱溫度、層間溫度（見表2）。

4.3 典型接頭形式及焊接參數(shù)

針對(duì)鋼桁梁結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，結(jié)合設(shè)計(jì)要求、制造工藝等，確定擬采用的坡口形式、焊接方法及焊接參數(shù)。Q420qDNH、Q500qDNH鋼的典型焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)項(xiàng)目及其焊接參數(shù)見表3。

表3 典型焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)項(xiàng)目及其焊接參數(shù)

（續(xù)）

4.4 焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)結(jié)果分析

依據(jù)Q/C R 9211—2015《鐵路鋼橋制造規(guī)范》進(jìn)行了焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)[5]。Q420qDNH鋼、Q500qDNH鋼的典型焊接接頭力學(xué)性能與低溫沖擊性能試驗(yàn)結(jié)果分別見表4、表5。

表4 典型焊接接頭力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

表5 典型接頭低溫沖擊性能試驗(yàn)結(jié)果

從表4、表5可看出，各類接頭的拉伸試驗(yàn)結(jié)果均高于母材標(biāo)準(zhǔn)值，滿足評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)要求；接頭在－20℃的沖擊吸收能量均大于規(guī)定值，且有一定裕度，焊接接頭的低溫韌性良好；接頭各區(qū)的硬度均低于380HV10，在焊接過程中未產(chǎn)生淬硬組織。另外，對(duì)接頭焊縫金屬成分（包括C、Si、Mn、P、S、Cu、Cr、Ni）進(jìn)行了分析，計(jì)算耐候指數(shù)的結(jié)果為6.4~7.1，均＞6.0。對(duì)接頭進(jìn)行宏觀斷面檢測，接頭熔合良好，無裂紋等焊接缺陷。綜上可知，接頭各項(xiàng)指標(biāo)均符合設(shè)計(jì)要求。

5 焊接工藝及變形控制

5.1 桿件焊接

鋼桁梁構(gòu)件形式主要為箱形（弦桿、腹桿）與工形（上下平聯(lián)等），桿件結(jié)構(gòu)形式如圖2所示。截面尺寸約1m×1m，長度12～15m，工型桿件長度6～9m。

圖2 桿件結(jié)構(gòu)形式

為了控制桿件的焊接變形，保證焊接質(zhì)量，采取了如下工藝措施。

（1）減少焊縫填充量 合理設(shè)計(jì)焊縫，在滿足受力的前提下，盡量減少焊縫填充量，避免過度焊接造成構(gòu)件較大變形。除不等厚對(duì)接、箱形棱角焊縫及橫聯(lián)接頭板需開坡口焊接外，其余接頭均采用6mm角焊縫。

（2）節(jié)點(diǎn)板與腹板不等厚對(duì)接焊縫 通過在節(jié)點(diǎn)板開過渡斜坡，與薄板勻順過渡。焊接時(shí)先采用CO2氣體保護(hù)焊打底（厚度不小于6mm），再使用埋弧焊焊接，焊縫兩端均加引弧板、引出板，保證端部焊接質(zhì)量。反面焊前需進(jìn)行清根，保證熔透[6]。

（3）對(duì)板單元縱肋及工形焊縫 均采用自動(dòng)焊船位進(jìn)行焊接，以獲得較大熔深及良好的外觀成形。

（4）箱體主焊縫焊接 在完成箱內(nèi)隔板等焊縫焊接后，采用埋弧焊進(jìn)行箱外4條主焊縫焊接，焊接時(shí)注意保證所有焊縫焊接方向一致，以減小箱體扭曲變形。同時(shí)，對(duì)于節(jié)點(diǎn)板部位，焊前采用火焰加熱使其向外側(cè)預(yù)變形，對(duì)端口進(jìn)行剛性臨時(shí)支撐固定，以有效地控制焊接變形。

5.2 桁片焊接

桁片由弦桿、腹桿組焊而成，連接接頭均為一級(jí)對(duì)接焊縫，桁片結(jié)構(gòu)形式如圖3所示。受結(jié)構(gòu)形式影響，需采用單面焊雙面成形工藝（預(yù)留間隙，進(jìn)行填充焊接），焊縫填充量大，造成較大熱輸入從而引起結(jié)構(gòu)變形。而鋼桁梁連接關(guān)系復(fù)雜，制造精度要求高，因此只有制定有效的工藝措施，才能保證焊縫質(zhì)量、控制焊接變形。

圖3 桁片結(jié)構(gòu)形式

采取的工藝措施主要包括以下4個(gè)方面。

1）箱形接口為封閉結(jié)構(gòu)，先進(jìn)行槽形及其加勁肋焊接，待無損檢測合格后再組焊封板。槽形對(duì)接焊縫采用陶質(zhì)襯墊，封板對(duì)接焊縫采用鋼襯墊，保證背面焊縫成形。均采用CO2氣體保護(hù)焊進(jìn)行平位、立位焊接，坡口設(shè)計(jì)時(shí)通過朝向調(diào)整來避免仰焊。

2）封板焊接時(shí)，因縱向坡口焊縫與橫向?qū)雍缚p存在交叉，所以為避免交叉處缺陷產(chǎn)生，桿件制作時(shí)縱向坡口焊縫端部預(yù)留100mm不焊接，并修磨成1∶5的斜坡，待現(xiàn)場封板安裝后，先完成橫向?qū)雍缚p焊接，再進(jìn)行縱向坡口焊縫焊接，箱形接口焊接如圖4所示。

圖4 箱形接口焊接

3）因耐候鋼板較普通鋼板表面更易產(chǎn)生銹層，所以接頭部位除銹后應(yīng)盡快焊接或采用膠帶覆蓋等措施進(jìn)行保護(hù)；箱形接頭整體焊接完成后，還需對(duì)過焊孔進(jìn)行封閉，避免水汽等進(jìn)入箱內(nèi)造成鋼板過度腐蝕。

4）為避免單面坡口焊接形成的角變形，造成桁片整體平面度及桁高超差，焊前需要對(duì)接頭局部和桁片整體采取剛性固定措施，如臨時(shí)馬板固定、桿件間型鋼連接，如圖5所示。在焊接時(shí)，先對(duì)上下兩個(gè)面的平位焊縫打底2層，再焊接豎向立位焊縫，最后完成平位焊縫填充蓋面。對(duì)于橫向收縮變形，在拼裝時(shí)每個(gè)接口預(yù)留一定收縮量，桁片接口焊接如圖6所示。

圖5 焊前剛性固定

圖6 桁片接口焊接

5.3 橋位安裝焊接

橋位節(jié)段安裝時(shí)為懸臂狀態(tài)，因此焊接變形對(duì)安裝精度影響很大。焊接時(shí)，除需在接口處設(shè)置馬板剛性固定外，還應(yīng)保證對(duì)6個(gè)接口同步進(jìn)行焊接。每個(gè)接口先進(jìn)行腹板立位焊接，再進(jìn)行底板平位焊接，且內(nèi)外桁對(duì)稱進(jìn)行。為避免懸臂段對(duì)上平聯(lián)中小縱梁造成受力過大的不利影響，部分小縱梁需暫時(shí)不焊接。待全橋合龍，受力體系轉(zhuǎn)換后再進(jìn)行焊接，橋位安裝焊接如圖7所示。

圖7 橋位安裝焊接

5.4 實(shí)施效果

焊接完成后，按照規(guī)范要求進(jìn)行外觀檢測，采用超聲波、射線、磁粉檢測，并對(duì)主要構(gòu)件對(duì)接焊縫設(shè)置的產(chǎn)品試板進(jìn)行破壞性試驗(yàn)。根據(jù)實(shí)際焊接生產(chǎn)情況，所選用的焊接方法合理，焊接效率高；焊縫外觀質(zhì)量美觀，一次檢測合格率達(dá)98%以上；產(chǎn)品試板經(jīng)破壞性檢驗(yàn)，力學(xué)性能均符合驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)；焊接變形的控制措施效果顯著，保證了鋼桁梁的制造精度。

6 結(jié)束語

將上述焊接技術(shù)研究成果應(yīng)用于莆炎高速沙溪大橋鋼桁梁制造、安裝中，確保了鋼梁制造質(zhì)量，并通過采用合理變形措施，有效地控制了桿件、桁片及橋位制作變形，保證了鋼桁梁安裝精度。該橋已順利完成架設(shè)并通過驗(yàn)收，證明所采用的焊接技術(shù)措施是切實(shí)可行的，可為同類全焊耐候鋼鋼桁梁制造提供借鑒。