鋼結構大間隙焊縫焊接施工研究

郭余根

(中鐵十六局集團有限公司，北京101100)

1 工程概況

某自錨式懸索橋，主橋采用鋼箱型梁設計。該工程主橋為135+165 m的自錨式獨塔懸索橋，鋼箱梁全長280 m。全橋共劃分為50個鋼箱梁制作節段，11種類型。其中，標準節段共39個，長度6 m。全橋結構用鋼材質采用Q345qD，全橋總重約5 500 t。

主橋采用流線型正交異形橋面板扁平鋼箱梁，單箱四室斷面，主要輪廓尺寸為：含風嘴全寬為37.26 m，其中頂板寬度為36.6 m，設置2%的雙向橫坡，底部平底板寬度為22 m，兩側斜底板各寬7.3 m，橋梁中線處梁高3 m,見圖1。

圖1 鋼箱梁結構

主橋鋼箱梁采用頂推施工進行安裝拼接。鋼箱梁先于頂推平臺進行拼裝焊接，通過4臺千斤頂牽引至指定位置，再于頂推平臺進行新一輪焊接拼裝，重復此過程直至全部鋼箱梁拼接完成。

由于頂推施工及大型構件吊裝易造成拼裝誤差，同時粱段自身受溫度影響造成的拼裝誤差。在架設過程中出現個別頂板或底板出現了25 mm的大間隙焊縫。在實際施工中采用大間隙襯墊托底，CO2氣體保護焊接進行打底、填充，埋弧自動焊進行蓋面焊的襯墊單面焊接工藝。針對該工藝進行了焊接工藝試驗，以保證焊接成品質量。

2 試焊條件與方法

2.1 試焊條件

試驗焊接條件見表1。

試板材料選取與現場頂板規格板材相同，厚度16 mm，材質為Q345qD。板材下料坡口與現場施工相同，均采取焰切工藝。試板與焊材化學成分見表2，常規力學性能見表3。

表1 試驗條件詳表

梁段在現場施工時，由于鋼結構受溫度影響需進行約束。為模擬現場實際工況，將兩塊試驗板材以25 mm組裝間隙約束于剛性實驗胎架上，中間采用大剛性碼板定位，最后將陶瓷襯墊貼附于焊口位置待焊。坡口圖見圖2，試板組裝結構圖見圖3。

圖2 坡口尺寸

圖3 試板組裝結構

表2 Q345qD及焊接材材料化學成分(%)

表3 Q345qD及焊接材材料熔敷金屬力學性能

2.2 試焊方法

焊接采用CO2氣體保護焊接進行打底、填充，埋弧自動焊進行蓋面焊的襯墊單面焊接工藝。作為需要人工操作的打底焊接較易成為焊接的薄弱環節，所以尤為重要。焊接采用40 mm超寬陶瓷襯墊。為防止襯墊脫落，焊接前將焊道底端3 cm內距離打磨干凈，不允許存在銹跡，再用錫紙黏貼、加固。

焊接時室內溫度不得低于5℃，焊接時層間溫度需用點溫計選取距焊縫75 mm處進行測溫，溫度不得大于200℃。焊接前需對焊絲、焊藥進行烘干。使用CO2時，其純度應大于99.5%，使用前2 h靜置放水，然后正置放雜氣2～3 min。

打底焊道采用CO2氣體保護焊，焊接時采用熱輸入要小一些，將焊道一次擺成，焊道厚度盡量厚一些(6～7 mm)，避免焊縫金屬在冷卻結晶過程中由于拘束度過大而產生裂紋。第2層仍采用CO2氣體保護焊，為提高現場施工速度，熱輸入可大一些。第2層焊接采用窄焊道多道焊接,填充至距離板面2 mm左右。為保證成形美觀和提高效率，蓋面層焊道采用埋弧自動焊進行多道焊接。焊接第2層和第3層焊縫前將前一層焊縫表面的熔渣用角磨砂輪清理干凈,具體焊接工藝參數見表4。焊接試板上部的定位馬板在焊完第2層填充焊道后去除,試件焊接完畢24 h后解除焊接平臺的剛性約束。

焊后對接頭進行—超聲波及射線無損檢測，對接頭斷面進行切片檢驗和接頭硬度試驗，并按《鐵路鋼橋制造驗收規范》(TB 10212-2009)和(GB/T 11345-89)中相關規定對焊縫進行超聲波探傷，滿足相關要求，具體檢測項目見表5。

表4 焊接工藝參數

注：136為藥芯CO2氣體保護焊;121為埋弧自動焊。

表5 焊接接頭力學試驗項目

3 試驗結果及分析

3.1 無損檢測及焊縫宏觀組織分析

解除約束后，對試件進行了超聲波和X射線無損檢測，均未發現缺陷。將試樣解剖切片,經拋光、鹽酸熱蝕，進行宏觀組織分析,接頭宏觀照片見圖4。可以看出，接頭溶合良好、熔合線清晰整齊，無裂紋、夾渣、未熔合及氣孔等缺陷。金相組織見圖5。

圖4 接頭宏觀照片

注：過熱區(左上)組織為針狀鐵素體焊縫(右下)組織為鐵素體+索氏體圖5 金相組織

表6 硬度檢測數據

3.2 焊接接頭最高硬度檢測

按照(GB 2654-89)在硬度試驗機上,采用10 kg壓頭進行了維氏硬度測試。檢測位置設置在打底焊道，共打了14個點，見圖6。從檢測數據結果來看，其維氏硬度最大值為188，達到標準要求，檢測結果見表6。

圖6 硬度檢測采點示意圖

3.3 焊縫化學成分分析

化學成分在靠近陶質襯墊的打底焊道取樣，具體化學成分分析見表7。

3.4 常規力學性能檢測

按照(GB 2650～89)進行了焊接接頭低溫沖擊試驗，按照(GB 2651-89)進行了焊接接頭拉伸試驗，按照(GB 2652-89)進行了焊縫金屬拉伸，按照(GB 2653-89)進行了焊接接頭彎曲試驗，常規力學性能試驗結果見表8。

表8 焊接接頭力學性能檢測結果

4 結論

對于25 mm大焊接間隙焊縫可以采用陶質襯墊的單面焊工藝。采用CO2氣體保護焊進行打底和填充，埋弧自動焊進行蓋面焊道焊接的焊接工藝。單面焊縫，焊縫成形良好,焊接質量優良。采用此焊接工藝施焊的大間隙、強拘束條件下焊接接頭，可具有良好的力學性能。完全可勝任現場梁體拼裝焊接。

[1] JTG/TF 50-2011公路橋涵施工技術規范[S]

[2] GB/T-1999埋弧焊用碳鋼焊絲和焊劑[S]

[3] GB/T 8110-2008氣體保護電弧焊用碳鋼、低合金鋼焊絲[S]