大跨度鋼桁梁橋高強(qiáng)鋼弦桿焊接工藝研究

劉洪武，徐向軍，馬立朋，范軍旗，高建忠

中鐵山橋集團(tuán)有限公司 河北秦皇島 066200

1 序言

隨著橋梁用鋼材的發(fā)展、施工裝備的進(jìn)步，我國橋梁逐步向大跨徑、重載、大節(jié)段、整體架設(shè)方向發(fā)展，對(duì)高強(qiáng)度橋梁鋼的需求不斷增大。廣東省香山大橋?yàn)橹骺?80m的雙層鋼桁梁公路橋，橋式布置如圖1所示。桁架梁采用雙主桁結(jié)構(gòu)，立面采用“N”形桁，桁寬42.2m，采用全焊鋼桁梁大節(jié)段整體制造技術(shù)、整體架設(shè)技術(shù)進(jìn)行建造。主橋用鋼量約8萬t，主桁桿件采用Q420MD、Q500MD鋼板制造。

圖1 香山大橋橋式布置圖

2 焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)

香山大橋主桁采用全焊鋼桁梁結(jié)構(gòu)，具有焊接工作量大、焊接接頭類型多、焊接變形控制難度大的特點(diǎn)，構(gòu)件焊接質(zhì)量是控制工程質(zhì)量的關(guān)鍵[1]。主桁弦桿為箱形結(jié)構(gòu)，由上水平板、下水平板、豎板、節(jié)點(diǎn)板、隔板、加勁肋及橫梁接頭板等構(gòu)件組成，板厚為14～52mm，弦桿立體結(jié)構(gòu)如圖2所示。弦桿整體節(jié)點(diǎn)板厚大、拘束度大、熔透焊縫多，焊接空間狹小。弦桿采用Q420MD、Q500MD鋼板制造，其中Q500MD鋼板強(qiáng)度級(jí)別及碳當(dāng)量高，施焊難度較大。

圖2 弦桿立體結(jié)構(gòu)示意

為了保證弦桿的焊接質(zhì)量，根據(jù)設(shè)計(jì)圖及制造規(guī)范，編制焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)方案，對(duì)Q420MD、Q500M D鋼板進(jìn)行焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)。本文介紹Q500MD高強(qiáng)鋼典型接頭焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)，通過確定合適的坡口形狀及尺寸、焊接材料、焊接方法及焊接參數(shù)等，保證Q500MD高強(qiáng)鋼焊接接頭力學(xué)性能滿足設(shè)計(jì)要求。

2.1 弦桿焊縫類型

依據(jù)“香山大橋桁片設(shè)計(jì)圖”將弦桿主要焊縫進(jìn)行歸納。

1）對(duì)接焊縫：廠內(nèi)對(duì)接接料焊縫。

2）熔透角焊縫：弦桿橫梁接頭板熔透角焊縫；下弦桿節(jié)點(diǎn)板與上水平板間熔透角焊縫；錨箱承壓板熔透角焊縫。

3）坡口角焊縫：弦桿箱形桿件棱角焊縫。

2.2 試驗(yàn)材料及焊接方法

試驗(yàn)鋼板采用大生產(chǎn)用的Q500M D鋼，鋼板符合GB/T 1591—2018《低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼》要求，鋼板狀態(tài)為TMCP或TMCP＋回火。焊接方法采用C O2氣體保護(hù)焊以及埋弧焊，焊接材料采用ER55-G（φ1.2mm）實(shí)芯焊絲、T624T1-1C1AN3M1（φ1.2mm）藥芯焊絲、H60Q（φ4mm）埋弧焊絲＋SJ105q焊劑。

2.3 焊接設(shè)備

氣體保護(hù)半自動(dòng)焊設(shè)備為KRII500型焊機(jī)，埋弧焊設(shè)備為ZD5（D）-1250＋A2，均為直流反極性接法。

2.4 試驗(yàn)項(xiàng)目

根據(jù)弦桿的接頭形式，擬采用的焊接方法、焊接位置和焊接材料等，編制了焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)方案，在此選取了其中Q500MD鋼板的8組主要接頭進(jìn)行介紹，焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)項(xiàng)目見表1。

表1 焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)項(xiàng)目

3 焊評(píng)試驗(yàn)與結(jié)果分析

3.1 施焊狀況

Q500MD高強(qiáng)鋼焊評(píng)試驗(yàn)接頭施焊狀況見表2，施焊現(xiàn)場(chǎng)照片如圖3所示。

表2 接頭施焊狀況

圖3 焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)施焊現(xiàn)場(chǎng)

3.2 焊縫質(zhì)量檢測(cè)

焊后對(duì)試件焊縫進(jìn)行外觀檢查，焊縫外觀符合Q/CR 9211—2015《鐵路鋼橋制造規(guī)范》要求。焊接24h后對(duì)試件進(jìn)行超聲波檢測(cè)，對(duì)接焊縫、熔透角焊縫內(nèi)部質(zhì)量滿足Q/CR 9211—2015的I級(jí)要求，坡口角焊縫內(nèi)部質(zhì)量滿足Q/CR 9211—2015的II級(jí)要求。

3.3 接頭力學(xué)性能

Q500MD鋼接頭力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果見表3。由表3可知，焊縫屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率均滿足不低于Q500MD鋼母材最低標(biāo)準(zhǔn)值（屈服強(qiáng)度≥500MPa，抗拉強(qiáng)度≥610MPa，伸長(zhǎng)率≥17%）；對(duì)接接頭側(cè)彎試驗(yàn)結(jié)果完好；接頭－20℃低溫沖擊吸收能量≥47J，其中焊縫金屬?zèng)_擊吸收能量平均值為118J，熱影響區(qū)沖擊吸收能量平均值為166J，表明接頭的低溫沖擊韌性完全滿足技術(shù)要求，并具有足夠的韌性儲(chǔ)備。

表3 Q500MD鋼接頭力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

3.4 接頭宏觀斷面

Q500MD鋼接頭宏觀斷面如圖4所示。由圖4可看出，焊縫熔合完好，無裂紋、氣孔、夾渣及其他焊接缺陷。對(duì)接焊縫以及熔透角焊縫均達(dá)到了全熔透要求，坡口角焊縫的熔深達(dá)到40mm（技術(shù)要求≥38mm），焊縫根部熔合良好，符合設(shè)計(jì)要求。

圖4 接頭宏觀斷面照片

3.5 接頭硬度

Q500M D鋼接頭硬度試驗(yàn)結(jié)果見表4，最高硬度為364HV10，低于Q/CR 9211—2015要求的380HV10。

表4 接頭硬度試驗(yàn)結(jié)果

3.6 結(jié)果分析

Q500MD鋼對(duì)接焊縫、熔透角焊縫和坡口角焊縫試驗(yàn)結(jié)果表明，焊縫外觀及內(nèi)部質(zhì)量滿足規(guī)范要求，焊接參數(shù)可作為編制本橋弦桿Q500MD鋼焊接工藝的依據(jù)。

4 弦桿焊接工藝及質(zhì)量控制要點(diǎn)

4.1 弦桿焊接工藝

以下弦桿為例對(duì)弦桿的焊接順序（見圖5）進(jìn)行介紹。首先進(jìn)行豎板與節(jié)點(diǎn)板對(duì)接接料，水平板對(duì)接接料，接料時(shí)注意保證直度。然后組裝水平板、豎板上的縱向加勁肋，焊接加勁肋角焊縫。在平臺(tái)上放置外側(cè)豎板與橫隔板，焊接橫隔板角焊縫，放置內(nèi)側(cè)豎板，焊接橫隔板角焊縫，放置上水平板與構(gòu)件組成槽形，焊接橫隔板角焊縫。桿件翻轉(zhuǎn)90°，焊接箱形主角焊縫的內(nèi)側(cè)角焊縫。焊接節(jié)點(diǎn)板穿出圍焊熔透角焊縫，組裝下水平板成箱形[2]。翻轉(zhuǎn)桿件，焊接箱形棱角焊縫，4條焊縫同向施焊。

圖5 下弦桿焊接順序

采用氣體保護(hù)焊平位焊接棱角焊縫的根部打底焊道，采用埋弧焊焊接棱角焊縫的其他焊道。焊接過程中應(yīng)及時(shí)翻轉(zhuǎn)桿件以保證棱角焊縫的焊接位置處于平位，注意4條棱角焊縫必須同向施焊。焊接過程中，注意配合火焰修整，保證桿件的尺寸精度。最后，組裝并焊接橫梁接頭板熔透（坡口）角焊縫等，下弦桿制造現(xiàn)場(chǎng)如圖6所示。

圖6 下弦桿的制造現(xiàn)場(chǎng)

4.2 質(zhì)量控制要點(diǎn)

隔板是控制桿件斷面尺寸、防止扭曲變形的重要零件，相當(dāng)于弦桿組焊內(nèi)胎，因此必須嚴(yán)格控制其加工精度[3]。整體節(jié)點(diǎn)弦桿在制造過程中，其零部件剛度小，容易產(chǎn)生變形，鋼板接料、單元件及箱體的組焊均在平臺(tái)上進(jìn)行，防止或減少因桿件自重影響而產(chǎn)生變形。桿件上焊接吊耳，采用橋式起重機(jī)主副鉤協(xié)調(diào)空中翻轉(zhuǎn)，以保證桿件在起吊、翻身、打調(diào)時(shí)平穩(wěn)安全，防止因吊運(yùn)、翻轉(zhuǎn)不當(dāng)而造成桿件塑性變形。

弦桿錨箱部位Q500M D鋼板最大板厚達(dá)到了66mm，由于超厚鋼板拘束應(yīng)力大，且高強(qiáng)鋼焊縫的塑性差，所以在強(qiáng)拘束度厚板三向應(yīng)力作用下，在焊縫中極易產(chǎn)生冷裂紋焊接缺陷，焊接難度很大。錨箱承壓板等熔透角焊縫多層多道焊每焊完一道，應(yīng)將前道焊縫的熔渣清除干凈，道間認(rèn)真打磨清理，對(duì)焊縫認(rèn)真檢查無裂紋等焊接缺陷后再繼續(xù)施焊，確保道間熔合良好，熔透焊縫的兩側(cè)坡口應(yīng)交替施焊，并且要邊焊接邊修整，以減小焊接變形和焊接應(yīng)力[4]。對(duì)于≥24mm的Q500MD鋼板，應(yīng)進(jìn)行焊前預(yù)熱，采用電加熱器或火焰加熱，對(duì)于長(zhǎng)焊縫應(yīng)保證預(yù)熱后立即焊接，以保證長(zhǎng)焊縫的預(yù)熱溫度，道間溫度控制在120℃以上，焊后在焊縫上蓋保溫棉，以降低冷卻速度，防止產(chǎn)生裂紋[5]。

5 結(jié)束語

1）香山大橋弦桿Q500MD鋼的典型接頭焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)結(jié)果表明，焊縫外觀及內(nèi)部質(zhì)量檢測(cè)合格，接頭熔合完好，無裂紋、未熔合等焊接缺陷，接頭力學(xué)性能良好，符合設(shè)計(jì)要求。

2）依據(jù)焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)編制焊接工藝，并制定了詳細(xì)的焊接順序，有效地指導(dǎo)了香山大橋高強(qiáng)鋼弦桿的焊接，保證了弦桿的制造質(zhì)量。