螺柱焊在沉管隧道項目中的應(yīng)用研究

中圖分類號：TG457.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Research on Application of Stud Welding in Immersed Tunnel Projects

MALing， ZHU Xiaoyan， CHEN Yanfang， PAN Junfa， LIU Ya （CSSC Huangpu Wenchong Shipbuilding Co.，Ltd.，Guangzhou 511462，China）

Abstract： This study addresses technical challenges in high-density stud cluster welding for stel-concrete composite structures in immersed tunnel enginering.Systematic research was conducted on stud welding process optimization， quality control， and engineering applications.Design of experiments was adopted to optimize welding parameters，effectively resolving quality issues such as arc blow deflection， necking defects，and porosity. A comprehensive quality management system covering pre-weld preparation， in-process control， and postweld inspection was established， significantly improving welding reliability. The outcomes provide a systematic technical solution for high-density stud welding in subsea tunnels，demonstrating substantialvalue for similar major engineering projects.

Key words： immersed tunnel; stud welding; parameter optimization;quality control; subsea engineering

1 引言

近年來，伴隨著鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)的發(fā)展，螺柱焊在工程建設(shè)中的應(yīng)用越來越多，沉管隧道同樣采用鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)，因沉入海底，對焊接技術(shù)有了更高要求：一方面因長期承受海底腐蝕、高壓及復(fù)雜荷載的影響，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的需求更高了；另一方面因數(shù)百萬顆焊釘?shù)拇笠?guī)模焊接，焊接速率需要達(dá)到更高水平。傳統(tǒng)電弧焊方法存在明顯的弊端：需對接地柱周圍滿焊，焊接時間長，施工效率無法滿足大規(guī)模、高密度焊接作業(yè)要求；產(chǎn)生的熱量較大，易使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形，且易產(chǎn)生氣孔、夾渣等焊接缺陷，質(zhì)量控制難度大；焊接接頭強(qiáng)度較弱，受力過程中接頭處容易變形、斷裂。相比之下，螺柱焊技術(shù)展現(xiàn)出明顯優(yōu)勢：

采用專用焊槍焊接，焊接時間約1s左右，大幅度提高了焊接效率；焊接過程產(chǎn)生的能量低，焊件變形小，焊縫成型效果好；接頭處可達(dá)到很高的強(qiáng)度，甚至可高于螺柱本身強(qiáng)度。綜上可見，螺柱焊在大規(guī)模、高密度焊接作業(yè)中展現(xiàn)出了不可替代的技術(shù)優(yōu)勢。

盡管螺柱焊技術(shù)在國際上已發(fā)展成熟（歐美日等工業(yè)強(qiáng)國自20世紀(jì)80年代便將其廣泛應(yīng)用于汽車制造與建筑鋼結(jié)構(gòu)領(lǐng)域，并建立了完善的工藝標(biāo)準(zhǔn)體系），我國在該領(lǐng)域的研究起步較晚，至今僅有20余年歷史，仍面臨四大技術(shù)瓶頸：一是數(shù)千安培級焊接電流的精確控制難題；二是多參數(shù)協(xié)同優(yōu)化的工藝復(fù)雜性；三是嚴(yán)苛的質(zhì)量穩(wěn)定性要求；四是缺乏大規(guī)模工程應(yīng)用經(jīng)驗。針對沉管隧道這一特殊工程，現(xiàn)有技術(shù)體系在焊接過程控制、工藝參數(shù)適配、質(zhì)量一致性保障等方面均存在諸多考驗。因此，通過深入研究螺柱焊在沉管隧道工程中的應(yīng)用，解決上述技術(shù)難題具有重要的理論和實踐意義，為我國沉管隧道及類似重大工程的建設(shè)提供可靠的技術(shù)支撐，同時推動螺柱焊技術(shù)在國內(nèi)的進(jìn)一步發(fā)展和完善。

2 螺柱焊的原理及過程

2.1螺柱焊工作原理

螺柱焊是一種通過電弧快速熔化螺柱端部和母材表面，然后加壓形成連接的焊接方法。其工作原理可簡要概括如下：

1）引弧階段：螺柱接觸工件后通電，隨即輕微提升螺柱，激發(fā)電弧，熔化螺柱端部和母材局部區(qū)域；2）熔化階段：電弧高溫（瞬時可達(dá)數(shù)千攝氏度）使螺柱末端和母材形成熔池；3）壓合階段：螺柱在彈簧或氣缸驅(qū)動下快速壓入熔池，金屬冷卻凝固后形成牢固連接。

2.2沉管隧道可焊性分析

螺柱焊可否應(yīng)用于沉管隧道主要從以下幾個方面進(jìn)行分析：

1）焊釘尺寸：根據(jù)管節(jié)設(shè)計圖紙焊釘尺寸統(tǒng)計，焊釘?shù)囊?guī)格范圍為：" "Φ1 2～"Φ2 5 m m" ，而 90% 的焊釘直徑為 Φ22mm ，電弧螺柱焊方法一般可覆蓋 Φ6～Φ30mm 規(guī)格的焊釘，從規(guī)格上看采用螺柱焊可行；2）施焊空間：沉管隧道的焊釘主要布置在內(nèi)、外面板上，不存在狹小空間，存在足夠的施焊空間；3）母材可焊性：依據(jù)管節(jié)設(shè)計文件，焊接的金屬母材板厚范圍為： 12mm～40mm ，而螺柱焊對于 5mm 以上鋼板焊接良好；母材材質(zhì)為Q390C、Q420C，含碳量均小于 0.3% ，淬硬傾向小，焊后及熱影響區(qū)不會出現(xiàn)焊后裂紋。

綜上可知，從焊接空間、螺柱的直徑、沉管母材的板厚材質(zhì)等各方面綜合分析，均滿足螺柱焊可焊性標(biāo)準(zhǔn)。

3 工藝優(yōu)化與試驗驗證

3.1試驗設(shè)計

在沉管隧道焊釘焊接工藝選擇中，焊前需綜合考慮焊接效率、焊接質(zhì)量及現(xiàn)場可操作性。本研究通過對比分析電弧焊、電阻焊及螺柱焊等方法的優(yōu)缺點(diǎn)，最終選用螺柱焊作為沉管焊釘?shù)暮附臃椒ā?/p>

試驗采用與沉管隧道面板同材質(zhì)的Q345C鋼板（厚度 30mm ）作為基材，針對 Φ12～Φ25×150mm 六種規(guī)格焊釘，每種規(guī)格制備10組試件。試驗設(shè)備選用DA系列螺柱焊機(jī)（配置自動送釘系統(tǒng)），焊槍采用帶磁性穩(wěn)定的改進(jìn)型DA-300焊槍（見圖1）。試驗變量包括：焊接電流（ 800-2300A ）；焊接時間（0.35-1.30s）；提升高度（ 2-9mm ）；伸出長度（ 4-7mm ）。

3.2試件螺柱焊缺陷分析及工藝優(yōu)化

通過正交試驗法系統(tǒng)研究工藝參數(shù)對焊縫質(zhì)量的影響，發(fā)現(xiàn)的主要缺陷類型及解決方案如表1所示。

通過對試件缺陷分析并不斷改進(jìn)工藝參數(shù)及操作方法，確定出了滿足焊縫外觀及現(xiàn)場錘擊試驗要求的焊接電流、焊接時間、伸出長度、提升高度等一系列焊接參數(shù)，參數(shù)表見表2所示。

針對不同規(guī)格的焊釘，測試出了與之匹配的焊接電流、焊接時間、伸出長度及提升高度，焊縫的成型效果良好。對于其它焊釘直徑也可通過調(diào)節(jié)焊接電流來匹配，焊接電流的變化范圍不超過表2值的 10% ，在焊接過程中可根據(jù)實際情況做微調(diào)。

通過選取適當(dāng)?shù)暮附庸に噮?shù)并對試件進(jìn)行正確的施工操作，最終獲得了滿意的焊接試件，試件螺柱焊焊接效果圖如圖2所示。

3.3 試件力學(xué)檢測

為了保證焊釘?shù)暮附淤|(zhì)量，我司委托第三方檢測公司（無錫金誠工程技術(shù)服務(wù)有限公司）抽取了6組Φ22×150mm 的試件（橫向拉升和 30^° 彎曲各3組）進(jìn)行焊接性能的檢測，檢測方法依據(jù)為GB/T10433-2002試驗檢測標(biāo)準(zhǔn)，檢測顯示3顆 Φ22 試件的抗拉強(qiáng)度均大于 186kN（ 超設(shè)計值 17.5% ）， 30^° 彎曲無裂紋。

4 工程應(yīng)用與質(zhì)量控制

4.1 深中隧道焊釘設(shè)計

深中海底隧道，沉管段長 5035m ，由32個沉管段及一個最終接頭組成。鋼殼結(jié)構(gòu)主要由內(nèi)外面板、橫隔板、縱隔板、橫向加強(qiáng)筋、縱肋及焊釘組成，縱橫隔板將結(jié)構(gòu)分隔成多個封閉的混凝土澆筑獨(dú)立隔艙。為滿足面板與混凝土的抗剪、抗拔力，保證鋼殼結(jié)構(gòu)與混凝土兩者的有效連接，沉管隧道在頂板頂和底板頂下表面設(shè)置大量柱狀焊釘，布置圖如圖3所示。

從焊釘布置圖可以看出，沉管的內(nèi)外頂板上布置了大量的焊釘，根據(jù)焊釘布置圖T鋼加勁肋間距為 0.7m 時，按 0.25m+0.20m+0.25m 間距布置兩排焊釘；當(dāng)間距為 0.5m 時，T鋼加勁肋中間布置一排焊釘（如圖4）。26個管節(jié)約有 11.8×26=306.8 萬顆，6個非標(biāo)管節(jié)約有 8.2×6=49.2 萬顆，共約356萬顆。

該項目通過多方力學(xué)計算及焊接母材金屬的材質(zhì)的分析，確定沉管隧道內(nèi)外面板上所用焊釘為電弧螺柱焊的圓頭螺柱，螺柱采用GB/T10433標(biāo)準(zhǔn)中ML15Al材質(zhì)， Φ22mm ，長度 150mm 的無頭螺紋鋼。螺柱的理論長度（焊后尺寸）為 150mm ，經(jīng)上述試件焊接試驗中得出，螺柱焊在焊接過程中融入母材損耗的長度為 8mm ，最終確認(rèn)焊釘?shù)拈L度為：

4.2全流程質(zhì)量管控

為確保焊接質(zhì)量，對焊件實施全過程管控，按焊接前準(zhǔn)備、焊接過程控制、焊后檢驗處理三個階段系統(tǒng)布局質(zhì)量管控措施，清晰劃分各環(huán)節(jié)關(guān)鍵控制點(diǎn)。

1）焊接前準(zhǔn)備

（1）對試件進(jìn)行工藝驗證：試焊3個焊釘，檢查焊縫成形、熔合度等質(zhì)量指標(biāo)，確認(rèn)工藝參數(shù)可行性。

（2）對施工環(huán)境進(jìn)行控制：相對濕度不得超過85% ，溫度不低于 5°C 。當(dāng)不符合上述條件時，應(yīng)采取必要的工藝措施（如預(yù)熱或祛濕）后進(jìn)行施焊。

（3）對基材進(jìn)行處理：板材表面需保持干燥，清潔和打磨去除焊接區(qū)域的鐵銹，油漆等雜質(zhì)，通常打磨范圍為不小于焊釘直徑的2倍。

（4）對設(shè)備參數(shù)進(jìn)行設(shè)定：根據(jù)焊釘直徑預(yù)設(shè)電流、時間、伸出長度、提升高度等參數(shù)，校準(zhǔn)焊槍。

2）焊接過程控制

（1）操作規(guī)范：保持焊槍垂直，確保燃弧穩(wěn)定；焊接完成后停頓3s再移槍，保證鐵水凝固。（2）實時監(jiān)測：觀察電弧穩(wěn)定性、飛濺情況，及時調(diào)整參數(shù)（如電流波動時修正）。（3）外觀初檢：每焊5-10個釘抽查焊縫成形，確保無漏焊、氣孔、咬邊等明顯缺陷。

3）焊接后檢測

外觀檢測：檢查焊縫是否 360^° 均勻連續(xù)；沒有漏焊，表面無裂紋、縮孔、夾雜表面無氣孔、沒有明顯的咬邊、未焊透、裂紋、縮孔和夾雜；焊后長度符合設(shè)計要求。

破壞性試驗：隨機(jī)抽取焊釘總數(shù)的 1% 進(jìn)行 30^° 打彎試驗，打彎后焊釘?shù)暮缚p和母材熱影響區(qū)不應(yīng)有肉眼可見的裂紋。

缺陷處理：缺焊焊縫長度超過周長的1/4或其它項不合格的應(yīng)割除重新焊接。缺焊焊縫長度小于周長的1/4的，可采用 CO₂ 焊補(bǔ)焊。補(bǔ)焊仍不合格的，應(yīng)將焊釘切除，且不應(yīng)傷及母材，切除的焊釘部位應(yīng)打磨平整，然后用原焊接方法重新焊上焊釘，并達(dá)到合格的焊接質(zhì)量。

4.3應(yīng)用效果

E2試驗管節(jié)屬于Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)，管節(jié)長 165m 、寬 46m ，據(jù)統(tǒng)計該管節(jié)大約有11萬個焊釘，采用螺柱焊速度達(dá) ，螺柱焊總時間需：110000／40=2750min ，采用手工電弧焊所需時間：110000／2=55000min ，通過對比，可節(jié)約工時： 55000-2750= 52250min ，忽略其它因素影響，按每天8小時計算，52250/8×60=108.85 個工作日，用螺柱焊大約可以節(jié)約108個工作日，人工成本按焊接工種平均工資22元／小時計算，可節(jié)約人工成本：（52250/8） ×22≈14.37 萬元，該管節(jié)大概可節(jié)約14.37萬元的人工成本。

通過工藝優(yōu)化與試驗驗證積累的焊接工藝，全過程進(jìn)行嚴(yán)格的質(zhì)量把控，焊接缺陷率取得了突破性減低，缺陷率 lt;0.03% ，而傳統(tǒng)手工焊缺陷率約為 3% 左右。

沉管螺柱焊效果圖如圖5所示。

螺柱焊首先運(yùn)用于E2試驗管節(jié)，經(jīng)過從沉管鋼殼的加工到混凝土的澆筑再到沉入海底安裝測試，順利通過了驗收后，隨后將螺柱焊運(yùn)用于整個沉管隧道工程。

相比于手工電弧焊，整個沉管隧道節(jié)約人工成本約為：（356/11） ×14.37≈465 萬元。

5 結(jié)論

本研究將電弧螺柱焊技術(shù)成功應(yīng)用于深中通道沉管隧道工程，解決了超大規(guī)模焊釘焊接的質(zhì)量控制與施工效率難題：通過對試件的焊接工藝優(yōu)化，有效地解決了磁偏吹、縮頸、氣孔等焊接缺陷，接頭的平均抗拉強(qiáng)度達(dá) 186kN ，超出設(shè)計值 17.5% ，更好地滿足了百年工程耐久性的需求；通過制定全過程質(zhì)量管控標(biāo)準(zhǔn)，將焊接缺陷率降低至 0.03% 以下，大幅度減少返工率，實現(xiàn)了降本、增效的目的。

本研究成果不僅為海底隧道高密度焊釘群焊接提供了可靠的技術(shù)解決方案，其工藝控制方法和質(zhì)量保障體系對類似重大交通工程具有重要的推廣應(yīng)用價值。

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