耐候橋梁鋼焊接關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用

馬立朋，高建忠，徐向軍

中鐵山橋集團(tuán)有限公司 河北秦皇島 066205

1 序言

近年來國(guó)內(nèi)正在積極推進(jìn)耐候鋼橋梁建設(shè)，采用耐候鋼制造橋梁，可以免涂裝使用，在滿足節(jié)能環(huán)保要求的同時(shí)，大大降低橋梁全壽命期成本。中國(guó)鐵道學(xué)會(huì)理事長(zhǎng)、中國(guó)工程院院士盧春房分析：采用耐候橋梁鋼建造鋼橋，盡管初期成本增加約5%，但對(duì)比普通橋梁鋼加涂裝使用（按3次涂裝維護(hù)計(jì)算）分析，40年使用期限內(nèi)涂裝鋼橋的總費(fèi)用超過耐候鋼橋總費(fèi)用的2倍。

耐候鋼是在普通鋼材基礎(chǔ)上，添加了Cr、Ni、Cu等微量合金元素，隨著合金元素含量的增加，鋼材焊接性有所降低。耐候橋梁鋼焊縫是鑄態(tài)組織，沒有后續(xù)熱處理或軋制過程，導(dǎo)致接頭的力學(xué)性能和耐腐蝕性能等不同于母材，往往會(huì)成為鋼橋結(jié)構(gòu)中的薄弱環(huán)節(jié)。在耐候鋼橋制造中，根據(jù)耐候鋼的種類和使用條件，選擇合適的焊接材料和合理的焊接工藝，使焊接接頭的力學(xué)性能、耐腐蝕性能與母材相匹配[1，2]，是耐候鋼橋梁結(jié)構(gòu)安全性與耐久性的重要保障。

耐候鋼橋推廣有兩大障礙：一是橋梁焊接標(biāo)準(zhǔn)要求高，無匹配的耐候鋼焊接材料；二是耐候橋梁鋼焊接性較差，容易產(chǎn)生焊接裂紋等缺陷。中鐵山橋作為鋼橋行業(yè)的先行者，從2010年開始先后對(duì)345～500MPa級(jí)耐候橋梁鋼及耐海洋氣候橋梁鋼的焊接技術(shù)進(jìn)行了研究，形成了成套的耐候橋梁鋼焊接關(guān)鍵技術(shù)，并進(jìn)行了推廣應(yīng)用。

2 耐候橋梁鋼焊接關(guān)鍵技術(shù)

2.1 匹配的耐候橋梁鋼焊接材料

我國(guó)耐候鋼橋焊接標(biāo)準(zhǔn)高于國(guó)內(nèi)其他行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)外耐候鋼橋標(biāo)準(zhǔn)，由表1可看出，我國(guó)耐候鋼橋標(biāo)準(zhǔn)對(duì)焊接接頭的要求在接頭低溫沖擊性能、焊縫金屬耐蝕性能要求等方面明顯高于其他標(biāo)準(zhǔn)。

表1 國(guó)內(nèi)外同級(jí)別耐候鋼橋標(biāo)準(zhǔn)要求對(duì)比

美國(guó)AWS D1.5：2020《橋梁焊接規(guī)范》只對(duì)345MPa級(jí)耐候鋼的選材給出了要求，埋弧焊絲、氣體保護(hù)焊用實(shí)芯焊絲、藥芯焊絲應(yīng)符合AWS A5.23、AWS A5.28和AWS A5.29中的熔敷金屬符合Ni1、Ni2等化學(xué)成分的要求，沒有對(duì)焊縫金屬的耐大氣腐蝕性指數(shù)做出要求，見表2。

表2 AWS D1.5《橋梁焊接規(guī)范》對(duì)用于裸露免涂裝345W（50W）和HPS345W（HPS50W）級(jí)鋼焊接材料要求

歐標(biāo)EN1090-2：2018《鋼結(jié)構(gòu)和鋁結(jié)構(gòu)施工 第二部分：鋼結(jié)構(gòu)用技術(shù)要求》對(duì)耐候鋼焊接材料的要求是保證焊縫有不低于母材的耐候性能，并給出了幾種焊接材料選擇方案，但同樣沒有對(duì)焊縫金屬的耐大氣腐蝕性指數(shù)做出要求，見表3。

表3 EN1090-2—2018《鋼結(jié)構(gòu)和鋁結(jié)構(gòu)施工 第二部分：鋼結(jié)構(gòu)用技術(shù)要求》對(duì)耐候鋼焊接材料的要求

針對(duì)國(guó)內(nèi)耐候橋梁鋼焊接材料要滿足接頭低溫沖擊韌度和焊縫金屬耐候性能要求，同時(shí)還要具有良好的焊接工藝性能。中鐵山橋與燕山大學(xué)、焊接材料廠家合作，通過耐候焊接材料匹配性試驗(yàn)確定了最優(yōu)的耐候橋梁鋼焊接材料方案，最終確定了Cr、Ni、Cu合金系耐候焊接材料，合理調(diào)配焊接材料中C、Si、Mn、Cu、Cr、Ni等元素含量，滿足焊縫力學(xué)性能、耐候性與母材匹配的要求。同時(shí)提出耐候焊接材料熔敷金屬耐大氣腐蝕性指數(shù)I≥6.2，使得焊縫金屬的耐候性優(yōu)于母材（I≥6.0），滿足免涂裝使用要求。另外，對(duì)焊接材料擴(kuò)散氫含量進(jìn)行嚴(yán)格控制，保證焊縫焊接質(zhì)量。

耐候橋梁鋼焊接材料焊接工藝性能較差，為了提高焊縫金屬低溫沖擊韌度要求和耐候性，加入了很多合金元素，導(dǎo)致熔池中合金元素含量高，鐵液流動(dòng)性差，容易產(chǎn)生氣孔、夾渣等焊接缺陷。為了改善耐候鋼焊縫熔池流動(dòng)性，提高焊縫的冶金質(zhì)量，在焊絲中加入Si、RE元素，通過控制焊絲合金元素含量：wCa+Zr+RE≥0.02wSi+Cr+Ni、wCa+Re≥0.02wSi+Cr+Ni，解決了因Cr、Ni等合金元素過渡到焊縫而引起的熔池黏度高、流動(dòng)性差的問題，提高了焊縫冶金質(zhì)量[3，4]。

通過大量的耐候焊接材料匹配性試驗(yàn)，確定了具體項(xiàng)目的耐候焊接材料技術(shù)條件。以我國(guó)首座大跨度全焊接免涂裝耐候鋼公路橋——官?gòu)d水庫(kù)公路特大橋?yàn)槔ㄒ妶D1）。該橋采用Q345qENH鋼，結(jié)合項(xiàng)目要求制定了官?gòu)d水庫(kù)公路橋耐候焊接材料技術(shù)條件：要求通過熔敷金屬化學(xué)成分來計(jì)算耐候焊接材料的耐大氣腐蝕指數(shù)I（I≥6.2），熔敷金屬 －40℃沖擊吸收能量≥41J，氣體保護(hù)焊絲、埋弧焊劑熔敷金屬擴(kuò)散氫含量≤5mL/100g（水銀法或熱導(dǎo)法）等?？梢詽M足耐候橋梁鋼在低溫環(huán)境下免涂裝使用要求，提高了鋼橋的安全性和耐久性。根據(jù)不同焊接方法和自動(dòng)化程度（氣體保護(hù)焊、埋弧焊、機(jī)器人焊接），優(yōu)選不同類型的焊接材料組合使用，最大程度地實(shí)現(xiàn)智能化、自動(dòng)化焊接，提高生產(chǎn)效率，滿足工廠量產(chǎn)的需要[5，6]。

圖1 官?gòu)d水庫(kù)公路特大橋焊接

2.2 多元素最優(yōu)組合的耐候橋梁鋼焊接工藝

因?yàn)槟秃驑蛄轰撝刑砑恿薈r、Ni、Cu等耐候性元素，所以碳當(dāng)量高，焊接性比普通橋梁鋼差，容易產(chǎn)生焊接裂紋、氣孔、夾渣等缺陷。按照CB/T 4364—2013《斜Y型坡口焊接裂紋試驗(yàn)方法》的規(guī)定，通過試驗(yàn)確定不同厚度鋼板的焊接預(yù)熱溫度，為了提高焊縫金屬流動(dòng)性，比普通橋梁鋼提高預(yù)熱溫度和層間溫度20～40℃，使熔池液態(tài)停留時(shí)間延長(zhǎng)，夾雜物及氣孔更易于排出，焊縫裂紋敏感性降低，有效地降低了多向散熱條件下角焊縫產(chǎn)生裂紋的風(fēng)險(xiǎn)。在焊接過程中嚴(yán)格控制預(yù)熱溫度和道間溫度，可以有效地提高焊縫的冶金質(zhì)量。

由于耐候橋梁鋼對(duì)熱輸入敏感，焊接工藝窗口窄，故焊接熱輸入過大會(huì)導(dǎo)致焊接熱影響區(qū)局部粗晶粒脆化傾向急劇增加。通過物理模擬技術(shù)確定焊接熱輸入控制范圍，保證耐候橋梁鋼焊接熱影響區(qū)的性能。以我國(guó)第一座F級(jí)耐候橋梁鋼橋——中俄黑河大橋?yàn)槔?，先采用Gleeble3500試驗(yàn)機(jī)模擬焊接熱影響區(qū)粗晶區(qū)組織，相應(yīng)的熱循環(huán)參數(shù)包括：焊前不預(yù)熱，最高加熱溫度1350℃，焊接熱輸入分別為20kJ/cm、30kJ/cm、40kJ/cm和50kJ/cm，終止冷卻溫度100℃（見圖2）。然后按照GB/T 229—2007《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》規(guī)定測(cè)試各模擬焊接粗晶熱影響區(qū)－60℃沖擊吸收能量，對(duì)應(yīng)的測(cè)試結(jié)果分別是124J、82J、52J和23J，表明當(dāng)焊接熱輸入超過40kJ/cm時(shí)，所述耐候鋼焊接熱影響區(qū)的局部粗晶脆化傾向急劇增加。符合焊接熱影響區(qū)（熔合線外1mm處）－60℃沖擊吸收能量≥47J的焊接熱輸入控制為≤40kJ/cm[7，8]。結(jié)合焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)結(jié)果，確定中俄黑河大橋焊接工藝窗口，氣體保護(hù)焊熱輸入為8～25kJ/cm，埋弧焊熱輸入為15～40kJ/cm，焊接接頭拉伸性能、彎曲性能、沖擊性能都能滿足該橋技術(shù)要求。

圖2 中俄黑河大橋焊接熱模擬試驗(yàn)

根據(jù)不同接頭形式和板厚，選用合理的坡口形式和焊接方法；嚴(yán)格控制預(yù)熱及道間溫度，有效避免焊接缺陷的產(chǎn)生；不同焊接位置、焊接方法的焊接參數(shù)匹配（焊接電流、電弧電壓、焊接速度、熱輸入等），創(chuàng)造了多元素最優(yōu)組合的耐候橋梁鋼焊接工藝。

2.3 耐候鋼表面防護(hù)及處理工藝

為保證耐候鋼橋整體耐候性一致，避免出現(xiàn)局部位置耐腐蝕性能下降，制定了一套完備的耐候鋼表面防護(hù)工藝，即：嚴(yán)禁耐候焊接材料與普通焊接材料混用，引弧板、引出板及馬板應(yīng)采用與母材同材質(zhì)鋼板；耐候鋼表面做記號(hào)要用水性筆，應(yīng)避免構(gòu)件上沾染油脂、油漆、焊接飛濺等；對(duì)被污染的耐候鋼及焊縫表面應(yīng)進(jìn)行打磨處理；熱矯正時(shí)嚴(yán)禁過燒（≤700℃）；對(duì)于個(gè)別結(jié)構(gòu)或焊縫余高可能會(huì)滯水，要開工藝泄水孔或磨平焊縫余高，使其難以滯水。耐候鋼構(gòu)件焊接制造完成后，進(jìn)行打砂處理后再進(jìn)行周期澆水處理，有利于耐候鋼及焊縫表面氧化層加速形成且氧化層致密均勻，提高鋼橋的耐候性。

3 耐候橋梁鋼焊接關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用

從2010年開始，對(duì)耐候橋梁鋼焊接關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了推廣和應(yīng)用，該技術(shù)已應(yīng)用于美國(guó)阿拉斯加鐵路橋、港珠澳大橋、官?gòu)d水庫(kù)公路橋、舟山大橋、中俄黑河大橋及青島新機(jī)場(chǎng)高速連接線橋等項(xiàng)目。依據(jù)本技術(shù)制定焊接工藝規(guī)程，指導(dǎo)耐候鋼焊接生產(chǎn)，取得了良好的應(yīng)用效果，得到了業(yè)主和監(jiān)理單位的高度認(rèn)可。目前，耐候橋梁鋼焊接關(guān)鍵技術(shù)正在加拿大帕洛特大橋上進(jìn)行應(yīng)用，這是國(guó)內(nèi)首次制造加拿大標(biāo)準(zhǔn)耐候鋼橋，該橋采用345MPa和485MPa級(jí)耐候橋梁鋼，其中485MPa級(jí)耐候橋梁鋼在國(guó)內(nèi)是首次采用。

4 結(jié)束語

耐候橋梁鋼焊接關(guān)鍵技術(shù)為我國(guó)免涂裝耐候鋼橋的推廣打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，其社會(huì)效益和環(huán)境效益顯著。該技術(shù)具有適用的材料范圍寬、綜合性能好、生產(chǎn)效率高、全壽命期成本低等優(yōu)點(diǎn)，而且符合“綠色制造”的指導(dǎo)思想，推進(jìn)免涂裝橋梁鋼結(jié)構(gòu)建設(shè)，落實(shí)綠色發(fā)展理念，促進(jìn)我國(guó)橋梁建設(shè)的轉(zhuǎn)型與提質(zhì)增效。