莆炎高速沙溪大橋焊接技術應用研究

王佩，黃會強

中鐵寶橋集團有限公司 陜西寶雞 721006

1 序言

耐候鋼橋梁具有全壽命周期成本低、工期短、維護簡化及綠色環(huán)保等優(yōu)勢，因而引起有關部門的高度重視，逐步成為國內鋼橋建設尤其是山區(qū)橋梁的優(yōu)選材料。同時，高強度耐候鋼因其具有高強韌性和良好的耐蝕性，也得到了設計者的青睞，逐漸被用于受力較大的關鍵部位，大大減輕了鋼梁自重。莆炎高速沙溪大橋為全焊免涂裝耐候鋼橋，采用了鋼桁組合連續(xù)鋼構的結構形式，主桁構件為免涂裝耐候鋼，其中墩頂負彎矩區(qū)域上弦桿受力較大，因此采用了高強度Q500qDNH耐候鋼板。

2 工程概況

莆炎高速沙溪大橋主橋結構如圖1 所示。該橋為鋼桁組合梁，分左右兩幅，跨徑布置為（100+176+176+100）m，全長552.0m，主桁架桁高5.5～16m，標準節(jié)間水平長12m，兩片主桁架弦桿中心距9.5m。

圖1 沙溪大橋主橋結構

鋼桁梁主桁桿件采用焊接箱形斷面，平聯(lián)桿件為焊接工字形斷面。安裝時采用節(jié)段方式，最大節(jié)段重量130t。全橋總重約8600t，主要材質包含Q345qDNH鋼、Q420qDNH鋼及Q500qDNH鋼，所有桿件均采用焊接連接。

3 焊接難點分析

（1）高強耐候鋼結構焊接質量控制難度大 耐候鋼因加入了較多的Cu、Cr、Ni等合金元素，理論上碳當量較高，其焊接性比同級別的結構鋼要差。目前，國內耐候鋼尤其高強耐候鋼橋應用較少，缺乏對相關耐候鋼焊接技術的研究[1]。因此，選用與母材相匹配的焊接材料、確定合理的焊接方法及工藝參數(shù)等，保證焊接質量是本項目的一大難點。

（2）全焊鋼桁梁結構的焊接變形難以控制 本項目主橋為全焊接連續(xù)桁梁橋，鋼板厚度為8～50mm，結構形式多，對接環(huán)口多。尤其在節(jié)段制作、橋位安裝過程中，均為熔透對接焊縫。因此，如何控制焊接變形、保證成橋線型是主橋制造重點控制的項目。

4 焊接工藝評定

4.1 焊接材料的選擇

針對鋼梁采用的Q345qDNH鋼、Q420qDNH鋼、Q500qDNH鋼，結合技術要求及焊絲焊接工藝性能，通過多次熔敷金屬對比試驗，最終選定的試驗用焊接材料見表1。

為了保證與耐候鋼板力學性能和耐候性能匹配，耐候鋼焊接材料中也添加了Cr、Ni、Cu等耐候性元素，從而滿足力學性能和耐腐蝕指數(shù)要求[2，3]。

4.2 預熱溫度及層間溫度的確定

通過公式計算典型厚度鋼板的焊前預熱溫度[4]，并選擇了幾種典型板厚鋼板，在不同預熱溫度下進行斜Y形坡口焊接裂紋試驗，通過焊接性試驗擬確定本項目鋼板焊前預熱溫度、層間溫度（見表2）。

4.3 典型接頭形式及焊接參數(shù)

針對鋼桁梁結構特點，結合設計要求、制造工藝等，確定擬采用的坡口形式、焊接方法及焊接參數(shù)。Q420qDNH、Q500qDNH鋼的典型焊接工藝評定試驗項目及其焊接參數(shù)見表3。

表3 典型焊接工藝評定試驗項目及其焊接參數(shù)

（續(xù)）

4.4 焊接工藝評定試驗結果分析

依據(jù)Q/C R 9211—2015《鐵路鋼橋制造規(guī)范》進行了焊接工藝評定試驗[5]。Q420qDNH鋼、Q500qDNH鋼的典型焊接接頭力學性能與低溫沖擊性能試驗結果分別見表4、表5。

表4 典型焊接接頭力學性能試驗結果

表5 典型接頭低溫沖擊性能試驗結果

從表4、表5可看出，各類接頭的拉伸試驗結果均高于母材標準值，滿足評定標準要求；接頭在－20℃的沖擊吸收能量均大于規(guī)定值，且有一定裕度，焊接接頭的低溫韌性良好；接頭各區(qū)的硬度均低于380HV10，在焊接過程中未產(chǎn)生淬硬組織。另外，對接頭焊縫金屬成分（包括C、Si、Mn、P、S、Cu、Cr、Ni）進行了分析，計算耐候指數(shù)的結果為6.4~7.1，均＞6.0。對接頭進行宏觀斷面檢測，接頭熔合良好，無裂紋等焊接缺陷。綜上可知，接頭各項指標均符合設計要求。

5 焊接工藝及變形控制

5.1 桿件焊接

鋼桁梁構件形式主要為箱形（弦桿、腹桿）與工形（上下平聯(lián)等），桿件結構形式如圖2所示。截面尺寸約1m×1m，長度12～15m，工型桿件長度6～9m。

圖2 桿件結構形式

為了控制桿件的焊接變形，保證焊接質量，采取了如下工藝措施。

（1）減少焊縫填充量 合理設計焊縫，在滿足受力的前提下，盡量減少焊縫填充量，避免過度焊接造成構件較大變形。除不等厚對接、箱形棱角焊縫及橫聯(lián)接頭板需開坡口焊接外，其余接頭均采用6mm角焊縫。

（2）節(jié)點板與腹板不等厚對接焊縫 通過在節(jié)點板開過渡斜坡，與薄板勻順過渡。焊接時先采用CO2氣體保護焊打底（厚度不小于6mm），再使用埋弧焊焊接，焊縫兩端均加引弧板、引出板，保證端部焊接質量。反面焊前需進行清根，保證熔透[6]。

（3）對板單元縱肋及工形焊縫 均采用自動焊船位進行焊接，以獲得較大熔深及良好的外觀成形。

（4）箱體主焊縫焊接 在完成箱內隔板等焊縫焊接后，采用埋弧焊進行箱外4條主焊縫焊接，焊接時注意保證所有焊縫焊接方向一致，以減小箱體扭曲變形。同時，對于節(jié)點板部位，焊前采用火焰加熱使其向外側預變形，對端口進行剛性臨時支撐固定，以有效地控制焊接變形。

5.2 桁片焊接

桁片由弦桿、腹桿組焊而成，連接接頭均為一級對接焊縫，桁片結構形式如圖3所示。受結構形式影響，需采用單面焊雙面成形工藝（預留間隙，進行填充焊接），焊縫填充量大，造成較大熱輸入從而引起結構變形。而鋼桁梁連接關系復雜，制造精度要求高，因此只有制定有效的工藝措施，才能保證焊縫質量、控制焊接變形。

圖3 桁片結構形式

采取的工藝措施主要包括以下4個方面。

1）箱形接口為封閉結構，先進行槽形及其加勁肋焊接，待無損檢測合格后再組焊封板。槽形對接焊縫采用陶質襯墊，封板對接焊縫采用鋼襯墊，保證背面焊縫成形。均采用CO2氣體保護焊進行平位、立位焊接，坡口設計時通過朝向調整來避免仰焊。

2）封板焊接時，因縱向坡口焊縫與橫向對接焊縫存在交叉，所以為避免交叉處缺陷產(chǎn)生，桿件制作時縱向坡口焊縫端部預留100mm不焊接，并修磨成1∶5的斜坡，待現(xiàn)場封板安裝后，先完成橫向對接焊縫焊接，再進行縱向坡口焊縫焊接，箱形接口焊接如圖4所示。

圖4 箱形接口焊接

3）因耐候鋼板較普通鋼板表面更易產(chǎn)生銹層，所以接頭部位除銹后應盡快焊接或采用膠帶覆蓋等措施進行保護；箱形接頭整體焊接完成后，還需對過焊孔進行封閉，避免水汽等進入箱內造成鋼板過度腐蝕。

4）為避免單面坡口焊接形成的角變形，造成桁片整體平面度及桁高超差，焊前需要對接頭局部和桁片整體采取剛性固定措施，如臨時馬板固定、桿件間型鋼連接，如圖5所示。在焊接時，先對上下兩個面的平位焊縫打底2層，再焊接豎向立位焊縫，最后完成平位焊縫填充蓋面。對于橫向收縮變形，在拼裝時每個接口預留一定收縮量，桁片接口焊接如圖6所示。

圖5 焊前剛性固定

圖6 桁片接口焊接

5.3 橋位安裝焊接

橋位節(jié)段安裝時為懸臂狀態(tài)，因此焊接變形對安裝精度影響很大。焊接時，除需在接口處設置馬板剛性固定外，還應保證對6個接口同步進行焊接。每個接口先進行腹板立位焊接，再進行底板平位焊接，且內外桁對稱進行。為避免懸臂段對上平聯(lián)中小縱梁造成受力過大的不利影響，部分小縱梁需暫時不焊接。待全橋合龍，受力體系轉換后再進行焊接，橋位安裝焊接如圖7所示。

圖7 橋位安裝焊接

5.4 實施效果

焊接完成后，按照規(guī)范要求進行外觀檢測，采用超聲波、射線、磁粉檢測，并對主要構件對接焊縫設置的產(chǎn)品試板進行破壞性試驗。根據(jù)實際焊接生產(chǎn)情況，所選用的焊接方法合理，焊接效率高；焊縫外觀質量美觀，一次檢測合格率達98%以上；產(chǎn)品試板經(jīng)破壞性檢驗，力學性能均符合驗收標準；焊接變形的控制措施效果顯著，保證了鋼桁梁的制造精度。

6 結束語

將上述焊接技術研究成果應用于莆炎高速沙溪大橋鋼桁梁制造、安裝中，確保了鋼梁制造質量，并通過采用合理變形措施，有效地控制了桿件、桁片及橋位制作變形，保證了鋼桁梁安裝精度。該橋已順利完成架設并通過驗收，證明所采用的焊接技術措施是切實可行的，可為同類全焊耐候鋼鋼桁梁制造提供借鑒。