鋼結(jié)構(gòu)大間隙焊縫焊接施工研究

郭余根

(中鐵十六局集團(tuán)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(shè)計(jì)。該工程主橋?yàn)?35+165 m的自錨式獨(dú)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(jié)段，11種類型。其中，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段共39個，長度6 m。全橋結(jié)構(gòu)用鋼材質(zhì)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(fēng)嘴全寬為37.26 m，其中頂板寬度為36.6 m，設(shè)置2%的雙向橫坡，底部平底板寬度為22 m，兩側(cè)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(jié)構(gòu)

主橋鋼箱梁采用頂推施工進(jìn)行安裝拼接。鋼箱梁先于頂推平臺進(jìn)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(jìn)行新一輪焊接拼裝，重復(fù)此過程直至全部鋼箱梁拼接完成。

由于頂推施工及大型構(gòu)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(shè)過程中出現(xiàn)個別頂板或底板出現(xiàn)了25 mm的大間隙焊縫。在實(shí)際施工中采用大間隙襯墊托底，CO2氣體保護(hù)焊接進(jìn)行打底、填充，埋弧自動焊進(jìn)行蓋面焊的襯墊單面焊接工藝。針對該工藝進(jìn)行了焊接工藝試驗(yàn)，以保證焊接成品質(zhì)量。

2 試焊條件與方法

2.1 試焊條件

試驗(yàn)焊接條件見表1。

試板材料選取與現(xiàn)場頂板規(guī)格板材相同，厚度16 mm，材質(zhì)為Q345qD。板材下料坡口與現(xiàn)場施工相同，均采取焰切工藝。試板與焊材化學(xué)成分見表2，常規(guī)力學(xué)性能見表3。

表1 試驗(yàn)條件詳表

梁段在現(xiàn)場施工時，由于鋼結(jié)構(gòu)受溫度影響需進(jìn)行約束。為模擬現(xiàn)場實(shí)際工況，將兩塊試驗(yàn)板材以25 mm組裝間隙約束于剛性實(shí)驗(yàn)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(jié)構(gòu)圖見圖3。

圖2 坡口尺寸

圖3 試板組裝結(jié)構(gòu)

表2 Q345qD及焊接材材料化學(xué)成分(%)

表3 Q345qD及焊接材材料熔敷金屬力學(xué)性能

2.2 試焊方法

焊接采用CO2氣體保護(hù)焊接進(jìn)行打底、填充，埋弧自動焊進(jìn)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(huán)節(jié)，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(nèi)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(nèi)溫度不得低于5℃，焊接時層間溫度需用點(diǎn)溫計(jì)選取距焊縫75 mm處進(jìn)行測溫，溫度不得大于200℃。焊接前需對焊絲、焊藥進(jìn)行烘干。使用CO2時，其純度應(yīng)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(hù)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(jié)晶過程中由于拘束度過大而產(chǎn)生裂紋。第2層仍采用CO2氣體保護(hù)焊，為提高現(xiàn)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(jìn)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(shù)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(jìn)行—超聲波及射線無損檢測，對接頭斷面進(jìn)行切片檢驗(yàn)和接頭硬度試驗(yàn)，并按《鐵路鋼橋制造驗(yàn)收規(guī)范》(TB 10212-2009)和(GB/T 11345-89)中相關(guān)規(guī)定對焊縫進(jìn)行超聲波探傷，滿足相關(guān)要求，具體檢測項(xiàng)目見表5。

表4 焊接工藝參數(shù)

注：136為藥芯CO2氣體保護(hù)焊;121為埋弧自動焊。

表5 焊接接頭力學(xué)試驗(yàn)項(xiàng)目

3 試驗(yàn)結(jié)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(jìn)行了超聲波和X射線無損檢測，均未發(fā)現(xiàn)缺陷。將試樣解剖切片,經(jīng)拋光、鹽酸熱蝕，進(jìn)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(qū)(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(shù)據(jù)

3.2 焊接接頭最高硬度檢測

按照(GB 2654-89)在硬度試驗(yàn)機(jī)上,采用10 kg壓頭進(jìn)行了維氏硬度測試。檢測位置設(shè)置在打底焊道，共打了14個點(diǎn)，見圖6。從檢測數(shù)據(jù)結(jié)果來看，其維氏硬度最大值為188，達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，檢測結(jié)果見表6。

圖6 硬度檢測采點(diǎn)示意圖

3.3 焊縫化學(xué)成分分析

化學(xué)成分在靠近陶質(zhì)襯墊的打底焊道取樣，具體化學(xué)成分分析見表7。

3.4 常規(guī)力學(xué)性能檢測

按照(GB 2650～89)進(jìn)行了焊接接頭低溫沖擊試驗(yàn)，按照(GB 2651-89)進(jìn)行了焊接接頭拉伸試驗(yàn)，按照(GB 2652-89)進(jìn)行了焊縫金屬拉伸，按照(GB 2653-89)進(jìn)行了焊接接頭彎曲試驗(yàn)，常規(guī)力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果見表8。

表8 焊接接頭力學(xué)性能檢測結(jié)果

4 結(jié)論

對于25 mm大焊接間隙焊縫可以采用陶質(zhì)襯墊的單面焊工藝。采用CO2氣體保護(hù)焊進(jìn)行打底和填充，埋弧自動焊進(jìn)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(zhì)量優(yōu)良。采用此焊接工藝施焊的大間隙、強(qiáng)拘束條件下焊接接頭，可具有良好的力學(xué)性能。完全可勝任現(xiàn)場梁體拼裝焊接。

[1] JTG/TF 50-2011公路橋涵施工技術(shù)規(guī)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(hù)電弧焊用碳鋼、低合金鋼焊絲[S]