港珠澳大橋150mm厚板焊接工藝

易文林，張 虎，向晉華，胡海清，余志強

（武船重型工程股份有限公司，湖北 武漢 430415）

0 前言

港珠澳大橋江海直達船航道橋為三塔單面斜拉索橋，鋼索塔呈“海豚”形，如圖1所示，其中中塔高達109.756 m、重達近3 000 t，且外形結(jié)構(gòu)復(fù)雜，熔透焊縫比例高，主塔結(jié)構(gòu)鋼材為Q345qD，最大板厚150mm。鋼索塔的制造是港珠澳大橋鋼結(jié)構(gòu)制造工程的重點和難點，而港珠澳大橋業(yè)主對其制造提出了無損制造理念和要求，因此，拼板對接焊縫的無“馬”裝焊成為無損制造中的首要環(huán)節(jié)。150mm超厚板無“馬”裝焊在國內(nèi)期刊鮮見報道，控制超厚板焊接變形和保障焊接質(zhì)量成為一項極具挑戰(zhàn)性的嘗試。

1 厚板焊接難點及控制措施

港珠澳大橋鋼索塔Z0節(jié)段承壓板厚達150mm，由4塊長度超過10 m的Q345qD鋼板拼接而成，焊縫為全熔透。厚板在焊接過程中容易產(chǎn)生很大的焊接內(nèi)應(yīng)力和焊接變形，焊后常常出現(xiàn)焊縫結(jié)晶組織粗大、韌性下降、焊接殘余應(yīng)力大、焊接裂紋等問題。厚板焊接過程控制主要從控制焊接熱輸入量（線能量）、焊縫層（道）間溫度、焊縫冷卻速度、翻面焊接等方面入手。然而，在實際生產(chǎn)過程中，厚板無“馬”裝焊的重點和難點則是監(jiān)控焊接變形量，把握翻面時機。

2 焊接工藝評定試驗

2.1 焊接工藝評定試板

焊接工藝評定用母材為Q345qD（板厚100mm），其供貨技術(shù)條件符合國家標準GB/T 714－2008《橋梁用結(jié)構(gòu)鋼》，化學(xué)成分和力學(xué)性能分別如表1和 表2所示。

表1 Q345qD（δ=100mm）化學(xué)成分%

表2 Q345qD（δ=100mm）力學(xué)性能

2.2 焊接坡口設(shè)計

焊縫坡口形式對焊接質(zhì)量和焊接變形控制影響較大，相同的坡口形式，坡口角度過大或過小均會對焊縫產(chǎn)生不利影響。坡口角度太小，易形成窄而深的焊縫，焊縫成形系數(shù)小[1]，焊縫中心易形成粗大的柱狀晶，從而產(chǎn)生區(qū)域偏析，增大熱裂紋出現(xiàn)機率；坡口角度過大，焊縫金屬填充量增加，焊后殘余應(yīng)力也相應(yīng)增加。

圖1 港珠澳大橋江海直達航道橋鋼索塔

經(jīng)過多次比選和優(yōu)化后，采用機械加工法將焊評試板加工成帶鈍邊的雙面不對稱U型坡口，有利于減小焊接工作量。

2.3 焊材選用及焊評試板焊接

根據(jù)以往工程實際應(yīng)用并按等強匹配原則[2]，選用直徑φ5.0mm的埋弧焊絲H10Mn2+焊劑SJ101q。焊前清磨焊評試板待焊區(qū)域，去除底漆、油污、鐵銹及其他雜物，并采用陶質(zhì)電加熱片將試板預(yù)熱至100±20℃。焊接工藝評定試板焊接過程為：先焊深坡口側(cè)，淺坡口側(cè)清根并打磨后再焊接，深、淺坡口側(cè)交替焊接，焊縫層（道）間溫度120～180℃，其他焊接參數(shù)如表3所示。

2.4 焊接工藝評定試驗結(jié)果

焊后48 h后對焊接工藝評定試板進行焊縫外觀檢測和超聲波BⅠ級探傷[3-4]。檢測合格后，按照國標GB 226、GB/T 2649～2654對試板進行焊接接頭宏觀斷面酸蝕（見圖2），焊接接頭拉伸，焊縫金屬拉伸、沖擊試驗，硬度試驗，焊接接頭彎曲等試驗。焊接接頭力學(xué)性能如表4所示。

圖2 焊接工藝評定試板宏觀金相

3 承壓板焊接工藝

鋼索塔Z0節(jié)段承壓板由4塊規(guī)格為150mm×2657mm×10628mm板拼接而成，如圖3所示，重約127 t。承壓板拼接焊縫坡口示意如圖4所示，深坡口側(cè)深度79mm，淺坡口側(cè)深度65mm，鈍邊6mm。

表3 焊接工藝評定參數(shù)

表4 焊接接頭力學(xué)性能

圖3 Z0節(jié)段承壓板結(jié)構(gòu)

圖4 承壓板坡口形式

3.1 焊前準備工作

在專用平胎架上進行無“馬”裝配，通過千斤頂和配重來調(diào)整裝配精度，錯邊量小于等于1mm。焊縫兩端安裝引、熄弧板，并打磨清理坡口及兩側(cè)待焊區(qū)域不少于30mm范圍，采用陶質(zhì)電加熱片加熱至100±20℃。

3.2 焊接過程控制

①根據(jù)焊接工藝評定試驗參數(shù)進行連續(xù)焊接；②采用點溫計測量層間溫度，避免層（道）間溫度過高；③采用石棉布進行保溫緩冷；④通過拉線和直尺測量焊接角變形量，確定翻面焊接時機。

S*CY01與S*CY02拼板焊接（簡稱“雙拼”）共進行5次翻面，其焊接過程為：①先焊深坡口側(cè)，焊完第7道后（焊后深度h=59mm，S*CY01下表面板邊距胎架96mm）進行第1次翻面；②對淺坡口側(cè)進行清根、打磨和預(yù)熱；③淺坡口側(cè)焊完第7道后（焊后深度h=59mm，S*CY01下表面板邊距胎架78mm），進行第2次翻面；④待深坡口側(cè)再焊接完17道后（焊后深度h=28mm，S*CY01下表面板邊距胎架11～13mm），進行第3次翻面；⑤淺坡口側(cè)再焊接28道后（焊后深度h=10mm，S*CY01下表面板邊距胎架3～5mm），進行第4次翻面；⑥再焊接深坡口側(cè)，完成25道焊道后（深坡口側(cè)坡口填充完畢）進行第5次翻面；⑦將淺坡口側(cè)焊縫焊至與母材平齊。

S*CY01/02與S*CY03/04拼板焊接（簡稱“大拼”）共進行3次翻面，其焊接過程如下：①先焊深坡口側(cè)，焊完第13道后（焊后坡口深度h=45～46mm），進行翻面；②對淺坡口側(cè)進行清根、打磨和預(yù)熱，焊完第14道后（坡口深度h=41～44mm）再次進行翻面，將深坡口側(cè)焊接至于母材平齊；③進行第3次翻面，完成淺坡口側(cè)的焊縫。

由雙拼和大拼焊接過程可知，鋼板自重不同，翻面時機也不同。雙拼時，深坡口側(cè)焊完7道后便出現(xiàn)較大的焊接角變形；大拼時，深坡口側(cè)在焊完10道后，焊接角變形依然不明顯，但是11道完成后焊接內(nèi)應(yīng)力大于鋼板自重，出現(xiàn)了明顯焊接角變形，而焊完第13道后，焊接角變形較大，不宜繼續(xù)施焊，需翻面焊接。

圖5 焊前預(yù)熱

圖6 拼板翻面

3.3 焊后保溫及平面度測量

焊后采用石棉布進行保溫緩冷，防止焊縫冷卻過快產(chǎn)生脆硬組織。

采用水準儀檢測平面度，承壓板焊后整體平面度控制較理想，測量監(jiān)控點標高差小于10mm，滿足港珠澳大橋精度要求。

3.4 超聲波探傷

按照《鐵路鋼橋制造規(guī)范》TB10212-2009對接焊縫無損檢驗要求對焊縫全長進行超聲波BⅠ級檢測，并對焊縫兩端及中間250mm區(qū)域進行超聲波CⅠ級檢測（代替X射線檢測）。經(jīng)上述兩類超聲波無損檢測，承壓板對接焊縫無損檢測一次合格率為100%。

4 結(jié)論

（1）焊接工藝評定焊接接頭力學(xué)性能滿足相關(guān)國家標準及技術(shù)規(guī)范要求，焊接工藝評定中的焊接試驗參數(shù)可用于指導(dǎo)實際焊接操作。

（2）受鋼板本身自重影響，厚板焊接時產(chǎn)生焊接角變形的快慢也不同，翻面時機和次數(shù)應(yīng)考慮鋼板自重的影響，一旦錯過最佳翻面時機，會出現(xiàn)焊接變形過大導(dǎo)致焊縫背側(cè)開裂，或出現(xiàn)不可抵消的角變形；而過早翻面，則會增加翻面次數(shù)，增加制作風險和成本。

（3）厚板無“馬”裝焊應(yīng)加強焊接過程控制，通過焊前預(yù)熱、控制焊接線能量、監(jiān)測層間溫度和焊接角變形、及時翻面焊接、焊后保溫緩冷等措施可有效控制焊接變形。

參考文獻：

[1]裴雪峰，張劍鋒，車平.泰州橋鋼塔厚板焊接技術(shù)[J].電焊機，2011，41（8）：56-61.

[2]張子榮，時煒.簡明焊接材料選用手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，2004.

[3]中華人民共和國行業(yè)標準.鐵路鋼橋制造規(guī)范[S].TB10212-2009.

[4]中華人民共和國國家標準.鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范[S].GB 50661-2011.