寧波灣頭大橋鋼梁焊接工藝研究

中鐵寶橋（揚(yáng)州）有限公司 （江蘇 225107） 吳江波 袁 俊 張海濤 李彥國

1. 工程概況

灣頭大橋?yàn)閷幉ㄊ谐鞘兄鞲傻溃挥谝瓰愁^三江口東側(cè)江面上（見圖1），其中主橋?yàn)橄鲁惺竭B續(xù)鋼桁架拱橋，跨徑組合48m+180m+48m＝276m。主橋橋?qū)?3.6m。主橋三跨連續(xù)鋼桁架拱橋，主橋拱肋由兩片桁架和6道風(fēng)撐組成，兩片拱肋橫向中心間距33.6m，在拱頂處上下弦桿豎向中心間距4.5m。下弦桿采用二次拋物線，矢高為36m，矢跨比1/5，上弦桿采用二次拋物線與圓曲線相結(jié)合。主體結(jié)構(gòu)鋼材材質(zhì)為Q370qE及Q345qD鋼，全橋用鋼量約7700t。

圖1 灣頭大橋?qū)嵕?/p>

2. 工藝難點(diǎn)

本項(xiàng)目工藝難點(diǎn)在于鋼拱肋箱型桿件棱角焊縫及鋼主梁棱角焊縫全部采用全熔透焊接形式。根據(jù)不同位置受力需要，拱肋相應(yīng)部位橫隔板及拱肋箱體加勁均采用了厚板全熔透焊接形式，如此繁多的熔透焊縫，如何保證熔透焊縫的焊接質(zhì)量是本橋鋼結(jié)構(gòu)制造的關(guān)鍵。

3. 焊接接頭合格標(biāo)準(zhǔn)

焊接接頭及焊縫屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、斷后伸長率及接頭V型低溫沖擊吸收能量均不低于母材標(biāo)準(zhǔn)值（見表1）；焊接接頭三區(qū)最高硬度HV10不高于350HV；對(duì)接接頭冷彎180°不裂。

表1 母材力學(xué)性能

4. 焊接材料的選擇

為Q345qD及Q370qE鋼選擇合適的焊接材料，在考慮強(qiáng)度匹配的同時(shí)應(yīng)重點(diǎn)考慮韌性匹配。根據(jù)對(duì)Q345qD及Q370qE鋼的焊接經(jīng)驗(yàn)，我們選擇如下焊接材料，力學(xué)性能如表2所示。

（1） Q345qD鋼焊接材料 ①焊條電弧焊：J507（φ4mm）焊條。②實(shí)芯焊絲CO2氣體保護(hù)焊：ER50-6（φ1.2mm）。③藥芯焊絲CO2氣體保護(hù)焊：Sup71（φ1.2mm）。④埋弧焊：對(duì)接焊縫及箱體棱角焊縫均采用H08Mn2E（φ5mm），T型角焊縫采用H08MnA（φ5mm），焊劑均采用SJ101Q。

（2）Q370qE鋼焊接材料 ①焊條電弧焊：J507Ni（φ4mm、φ5mm）。②實(shí)芯焊絲CO2氣體保護(hù)焊：ER50—6（φ1.2mm）。③藥芯焊絲CO2氣體保護(hù)焊：Sup71H（φ1.2mm）。④埋弧焊：對(duì)接焊縫及箱體棱角焊縫均采用H08Mn2E（φ5mm）配合SJ101Q焊劑。

表2 焊接材料力學(xué)性能

5. 厚板焊接時(shí)最低預(yù)熱溫度及層間溫度的確定

由于Q345qD及Q370qE鋼厚板的小熱輸入焊接存在一定的冷裂傾向，為此我們選擇30mm、40mm及50mm三種厚度的鋼板進(jìn)行抗裂試驗(yàn)，試件宏觀酸蝕斷面（部分）如圖2所示，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

圖2 抗裂試件宏觀酸蝕斷面（部分）

表3 斜Y形坡口裂紋試驗(yàn)結(jié)果

通過抗裂試驗(yàn)，我們可以確定的厚板預(yù)熱溫度，如表4所示。

表4 焊接預(yù)熱溫度及層間溫度

6. 焊接工藝評(píng)定

在確定了焊接預(yù)熱溫度的基礎(chǔ)上，我們針對(duì)本橋鋼梁結(jié)構(gòu)特點(diǎn)編制了焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)方案，針對(duì)性的進(jìn)行了13組對(duì)接接頭、15組熔透角接頭、4組T形角接接頭，共計(jì)32組評(píng)定試驗(yàn)。

（1）對(duì)接焊縫 接料對(duì)接焊縫采用非對(duì)稱X形坡口埋弧焊焊接，焊接材料采用H08Mn2E+SJ101Q組合，主梁頂板、腹板對(duì)接焊縫采用焊條電弧焊焊接，焊接材料采用J507Ni，坡口采用V形坡口，背面貼陶質(zhì)襯墊的單面焊雙面成形工藝。對(duì)接接頭力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果（部分）如表5所示。

（2）箱體棱角焊縫 鋼桁梁箱體及主梁箱體棱角焊縫采用K形非對(duì)稱坡口埋弧焊與藥芯焊絲CO2氣體保護(hù)焊相結(jié)合的方法焊接，棱角焊縫外側(cè)采用H08Mn2E+SJ101Q組合，內(nèi)側(cè)采用Sup71（或Sup71H），先焊接箱內(nèi)側(cè)坡口焊縫，外側(cè)坡口清根后焊接。試板對(duì)接接頭力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果（部分）如表6所示。

（3）熔透角焊縫 風(fēng)撐連接板與弦桿腹板熔透角焊縫、拱肋箱型橫隔板熔透角焊縫及拱肋弦桿加勁肋熔透角焊縫等采用K形非對(duì)稱坡口藥芯焊絲(Sup71)CO2氣體保護(hù)焊，吊桿錨箱支撐板與弦桿腹板采用單面V形坡口背面貼陶質(zhì)襯墊單面焊雙面成形工藝，焊接采用藥芯焊絲(Sup71)CO2氣體保護(hù)焊，試板對(duì)接接頭力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果（部分）如表7所示。

表5 對(duì)接接頭力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果（部分）

表6 對(duì)接接頭力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果（部分）

表7 對(duì)接接頭力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果（部分）

（4）化學(xué)成分分析 焊縫化學(xué)成分與母材可以匹配，母材與焊縫化學(xué)成分對(duì)比如表8所示。

表8 母材與焊縫化學(xué)成分對(duì)比（部分）

（5）焊接接頭宏觀金相分析 對(duì)焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)的所有試件進(jìn)行宏觀斷面酸蝕照片分析，宏觀照片顯示焊道排列規(guī)范合理，外層焊道美觀，斷面無焊接缺陷，表明坡口工藝性較好，部分宏觀斷面酸蝕照片如圖3、圖4所示。

圖3 對(duì)接試件宏觀斷面（部分）

圖4 T形熔透試件宏觀斷面（部分）

7. 試驗(yàn)結(jié)果分析

（1）接頭拉伸試驗(yàn)及焊縫金屬拉伸試驗(yàn)表明：焊縫屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和焊縫金屬的伸長率均高于母材標(biāo)準(zhǔn)值，滿足了設(shè)計(jì)要求。

（2）對(duì)接接頭彎曲180°，均未產(chǎn)生裂紋。

（3）對(duì)接接頭低溫沖擊吸收能量表明：Q345qD對(duì)接焊縫及熱影響區(qū)Akv（-20℃）均不低于34J，Q370qE對(duì)接焊縫及熱影響區(qū)Akv（-40℃）均不低于41J，低溫韌性良好且具有很大儲(chǔ)備，滿足設(shè)計(jì)要求。

（4）母材、焊縫，熱影響區(qū)的硬度HV10均未超過350HV，表明焊接過程中未產(chǎn)生脆硬組織。

（5）焊縫的宏觀照片均未發(fā)現(xiàn)氣孔、夾渣、未熔合和裂紋等焊接缺陷。

（6）化學(xué)成分與母材匹配。

8. 結(jié)語

焊接工藝評(píng)定結(jié)果均滿足設(shè)計(jì)要求，本工藝已成功應(yīng)用于灣頭大橋鋼梁制造，鋼梁制造質(zhì)量滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，彎頭大橋也于2009年10月建成通車。實(shí)踐證明，本橋焊接工藝的成功應(yīng)用亦可供同類橋梁借鑒。