鋼管拱橫撐管單面焊雙面成型工藝研究

王立業(yè)，韻德平

（太原鐵建公司鋼結構分公司，山西 太原 030003）

1 工程概況

京滬高鐵柳泉鎮(zhèn)后八丁特大橋96 m下承式鋼管混凝土系桿拱鋼拱肋采用懸鏈線線型，梁全長100 m，計算跨長為96 m，矢跨比為f/l=1/5，拱肋平面內矢高19.2 m，拱肋橫截面采用啞鈴形鋼管混凝土截面，截面高度h=3.0 m，沿程等高布置，鋼管直徑為1 000 mm，由板厚16 mm的鋼板卷制而成，每根拱肋的兩鋼管之間用δ=16 mm的腹板連接，主材材質均為Q345qD。兩拱肋之間共設5道橫撐，拱頂處設X型撐，拱頂至兩拱腳間設4道K型橫撐。橫撐由φ500，φ400和φ360mm的圓形鋼管組成，橫撐管的接長為對接焊縫，橫撐管節(jié)的焊接主要是縱向焊縫和環(huán)向焊縫的焊接。

2 橫撐管焊接主要施工特點和難點

橫撐管由幾個筒節(jié)焊接成型，焊接方法采用單面焊雙面成型焊接，焊接直接影響整橋線形和總體質量的控制，這就要求必須嚴格制定合理的焊接工藝及其實施細則，采取有效措施，高標準地保證焊接質量。

該橋橫撐管焊接施工特點和難點主要體現(xiàn)在以下幾方面：①焊縫質量要求高：焊縫全部為全熔透I級焊縫，質量要求高。②焊接變形控制難度大：橫撐管由多個筒節(jié)焊接組成，對接環(huán)焊縫多，熔敷金屬填充量大，在直徑方向的收縮量大，從而導致焊接變形難以控制。③單面焊雙面成型操作難度大，成型質量差。

3 焊接工藝對比分析

根據橫撐管設計要求筒節(jié)對接縱向焊縫和環(huán)向焊縫為全熔透，焊接方法采用單面焊雙面成型焊接，對此擬定了3組不同焊接方法、坡口形式的焊接工藝進行焊接工藝評定。

3.1 主要焊接工藝評定試驗

3.1.1 焊接材料及設備選擇

焊接材料的選用依據是母材化學成分及強度等級，同時必須考慮板厚及坡口形式，一般中厚板Q345qD手弧焊焊接材料選擇為E5016，焊接設備選擇BX1-500，CO2氣體保護焊焊接材料為ER50-6，焊接設備為YD-500KR。

3.1.2 試板坡口形式及焊接方法

對于單面焊雙面成型焊接，常用坡口形式為V形坡口，采用不同焊接方法進行試驗，具體方法有：①V形坡口，CO2氣保焊打底、填充、蓋面；②V形坡口，手弧焊打底、填充、蓋面；③V形坡口，CO2氣保焊打底焊接，填充和蓋面采用手弧焊接。

3.1.3 焊接參數的選擇

對3組試件制作多個試板，通過多次試驗對每組試件得出一組可靠的焊接工藝參數，3組試件焊接參數見表1。

表1 3組試件焊接參數

3.2 焊接工藝評定試驗結果及分析

3.2.1 試驗結果

3組試件焊縫外觀檢驗合格后，在焊后24 h進行X射線探傷檢查，焊縫內部質量達到I級。然后分別進行了彎曲、拉伸、-20℃低溫沖擊功試驗，結果見表2和表3。

表2 拉伸和彎曲試驗結果

表3 -20℃時低溫沖擊功試驗結果

3.2.2 結果分析

（1）焊縫強度：由表2的實驗結果可以看出3組試件的焊縫金屬抗拉強度均高于母材標準值抗拉強度標準值510 MPa，屈服強度均高于母材標準值345 MPa，滿足設計要求。

（2）焊縫塑性：由表2的實驗結果可以看出3組試件的焊縫金屬延伸率大于標準值21%；接頭側彎試驗結果均完好，說明接頭塑性滿足設計要求。

（3）接頭韌性：由表3可以看出，B1和B3試件-20℃低溫沖擊功均大于標準值34 J，滿足設計要求；B2試件焊縫金屬沖擊功小于34 J，不滿足要求。

通過上述分析發(fā)現(xiàn)，B1和B3試件采用的焊接工藝符合要求，CO2氣體保護焊單面焊雙面成型焊接質量可靠，它與手工電弧焊相比具有操作簡單、熔池容易控制、背面成型優(yōu)良；焊接質量好、焊接速度快、焊縫內部質量容易達到探傷的質量要求、操作方法比較容易掌握、成本低、效率高等特點，因此采用CO2氣體保護焊方法。

4 單面焊雙面成型焊接的缺陷及采取的工藝措施

優(yōu)質的單面焊雙面成型焊接的焊縫表面應圓滑過渡至母材,表面不得有裂紋、未熔合、夾渣、氣孔、焊瘤、咬邊等缺陷，焊縫內部同樣不允許有缺陷。但焊接過程中由于設備、材料、工藝及操作等原因,使得形成的焊縫達不到質量要求,從而對結構的工作質量和使用壽命產生嚴重的影響，為此在施工中采取以下措施：

4.1 工藝準備

4.1.1 坡口形式及組裝

CO2氣體保護焊對坡口形式和組裝的要求較為嚴格。對接焊縫的坡口形式以及尺寸包括角度、鈍邊和裝配間隙。

坡口角度主要影響電弧是否能深入到焊縫的根部，使根部焊透，進而獲得較好的焊縫成型和焊接質量，保證電弧能夠深入到焊縫根部的前提下，應盡量減小坡口角度。

鈍邊的大小可以直接影響根部的熔透深度，鈍邊越大，越不容易焊透。鈍邊小或無鈍邊時容易焊透，但裝配間隙大時，容易燒穿。

裝配間隙是背面焊縫成型的關鍵參數，間隙過大，容易燒穿；間隙過小，很難焊透。

單面焊雙面成型封底焊縫的熔滴過渡形式為短路過渡，通常可以選用較小的鈍邊，甚至可以不留鈍邊，裝配間隙為0～2 mm，坡口角度依據GB985—1988《氣焊、手工電弧焊及氣體保護焊焊縫坡口的基本形式與尺寸》的標準要求采用V形坡口,坡口角度在60°±5°，對提高坡口精度以及焊接質量起到了很好的作用。

4.1.2 焊接電流的選擇

焊接電流是確定熔深的主要因素，當焊接電流太大時，則焊縫背面容易燒穿、出現(xiàn)咬邊、焊瘤，甚至產生嚴重的飛濺和氣孔等缺陷；過小時，容易出現(xiàn)未熔合、未焊透、夾渣和成型不好等缺陷。試驗表明：當選用直徑為1.2 mm焊絲時,單面焊雙面成型的封底焊接電流為100～120 A較為合適。因此,焊接電流的大小直接影響焊縫的成型以及焊接缺陷的產生。

4.1.3 焊接電壓的選擇

在短路過渡的情況下，電弧電壓增加則弧長增加。電弧電壓過低時，焊絲將插入熔池，電弧變得不穩(wěn)定。所以電弧電壓一定要選擇合適，通常焊接電流小，則電弧電壓低；電流大，則電弧電壓高。

4.1.4 焊接速度的選擇

當焊絲直徑、焊接電流和電壓為定值時，熔深、熔寬及余高隨著焊接速度的增大而減小。如果焊接速度過快，容易使氣體的保護作用受到破壞，焊縫冷卻的速度太快，焊縫成型不好；接速度太慢，焊縫的寬度顯著增大,熔池的熱量過分集中，容易燒穿或產生焊瘤。

4.2 操作方法

CO2氣體保護焊是明弧操作，熔池的可見度好，容易掌握熔池的變化，可以直接觀察到電弧擊穿的熔孔，能夠控制熔孔的大小并且保持一致，在這方面要比手工電弧焊優(yōu)越得多。另外，焊接時接頭少，不易產生缺陷，但操作不當也容易產生缺陷。所以，操作時應特別引起注意。

4.2.1 干伸長度的控制

干伸長度對焊接過程的穩(wěn)定性影響比較大，當干伸長度越長時，焊絲的電阻值增大,焊絲過熱而成段熔化，結果使焊接過程不穩(wěn)定，金屬飛濺嚴重，焊縫成形不好以及氣體對熔池的保護也不好；如果干伸長度過短，則焊接電流增大，噴嘴與工件的距離縮短，焊接的視線不清楚，易造成焊道成型不良，并使得噴嘴過熱，造成飛濺物粘住或堵塞噴嘴，從而影響氣體流通。因此，干伸長度一般選擇焊絲直徑的10倍為最佳干伸長度。

4.2.2 打底焊焊縫接頭

打底焊時，應盡量減少接頭，若需要接頭時，用砂輪把弧坑部位打磨成緩坡形。打磨時要注意不要破壞坡口的邊緣，造成焊管的間隙局部變寬，給打底焊帶來困難。接頭時，干伸長的頂端對準緩緩焊接，當電弧燃燒到緩坡的最薄的位置時，正常擺動。CO2氣體保護焊的焊接接頭方式與手工電弧焊的接頭完全不一樣。手工焊焊接接頭時，當電弧燒到熔孔處時，壓低電弧，稍作停頓才能接上；而CO2氣體保護焊只需正常的焊接，用它的熔深就可以把接頭接上。

4.2.3 打底焊

打底焊是焊管焊接接頭質量的關鍵，注意熔接時接頭的方法，才能避免焊接缺陷的產生。焊接電流應依據坡口角度的大小作適當的調整，坡口角度大時散熱面積小，電流應調小一些，否則容易造成塌陷和反面咬邊等缺陷。打底焊時選用短齒形擺動，由于短齒形的間距沒有掌握好，焊絲在裝配間隙中間穿出，如果在整條焊縫中有少量的焊絲穿出，是允許的；如果穿出的焊絲很多，則是不允許的。為了防止焊絲向外穿出，打底焊時，焊槍要把握平穩(wěn)，可以用兩手同時把握焊槍，右手握住焊槍后部，食指按住啟動開關，左手握住焊把鵝頸部分就可以了，這樣就能減少穿絲或不穿絲，保證打底焊的順利進行和打底焊的內部質量。

要注意的是，在打底焊前應對焊接規(guī)范進行檢查，避免在施焊的過程中出現(xiàn)問題，檢查導電阻的內徑是否合適，注意噴嘴內部的飛濺物是否堵塞噴嘴。停弧或打底焊結束時，焊槍不要馬上離開弧坑，以防止產生縮孔及氣孔。

5 焊接方法的效果驗證

京滬高鐵柳泉鎮(zhèn)后八丁特大橋鋼管拱橋橫撐管采用CO2氣保焊單面焊雙面成型焊接后收到了良好的效果，主要表現(xiàn)在：

（1）大大提高了生產效率，縮短了工期。CO2氣保焊采用細絲焊接，較大電流，電流密度大，電弧熱量集中，熔化系數比焊條大1~3倍，可提高功效1~2倍。

（2）CO2單面焊雙面成型焊接工藝焊縫質量好、焊接速度快、節(jié)省了焊接材料而且焊縫內部的質量容易達到探傷質量的要求。

（3）通過Q345qD橋梁鋼單面焊雙面成型焊接工藝評定，制定的焊接工藝應用于生產，收到了良好的經濟效益，為以后焊接小直徑容器奠定了基礎。