洛陽橋鋼箱梁焊接技術(shù)

中鐵寶橋集團有限公司 （陜西寶雞 721006） 宗小艷 黃河珍 王秀菊

1.概述

洛陽橋主橋采用雙塔雙索面自錨式懸索橋，橋梁總長為492m，橋?qū)挒?5m。主橋鋼箱梁橫向兩側(cè)采用兩個單箱室鋼箱連接形成主縱梁，兩側(cè)主縱梁通過連接橫梁、次縱梁和橋面板形成鋼箱梁，鋼箱梁外側(cè)設(shè)懸臂梁，鋼箱梁標準斷面如圖1所示。除懸臂面板、懸臂加勁板及錨箱吊桿采用Q235B鋼材外，其余部位均采用Q345qD。全橋用鋼量約6948t。

圖1 鋼箱梁標準斷面示意

根據(jù)本橋鋼箱梁結(jié)構(gòu)特點，考慮交通運輸條件、工地施工架設(shè)方案等對全橋鋼箱梁進行了合理的分塊與分段。鋼箱梁制造采用“板塊→板單元→塊體→工廠涂裝→主縱梁拼焊→主縱梁預拼裝→鋼箱梁拼焊→環(huán)縫焊接→鋼箱梁表面最后一道面漆涂裝”方式進行生產(chǎn)。

該橋鋼梁為全焊鋼箱梁，結(jié)構(gòu)連接關(guān)系復雜，焊縫較多，焊接工作量大，所產(chǎn)生的焊接變形和殘余應力較大，焊接變形難控制。焊接是整個鋼梁制造的關(guān)鍵，其工藝的合理與否直接關(guān)系著鋼梁的制造質(zhì)量和進度。為了確保該橋的焊接質(zhì)量和生產(chǎn)進度，我們在經(jīng)濟、高效、安全可靠的前提下，優(yōu)先使用先進的焊接生產(chǎn)工藝。

2.焊接材料

鋼箱梁主體結(jié)構(gòu)采用Q345qD鋼，符合GB/T1591—1994《低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼》要求，是橋梁鋼結(jié)構(gòu)廣泛使用的一種鋼材，具有良好的焊接性能。經(jīng)過焊接工藝評定試驗選定焊接材料為：

埋弧焊：H10Mn2（φ5.0mm）+SJ101q；

藥芯焊絲CO2氣體保護焊：E501T—1（φ1.2mm）+CO2；

實芯焊絲CO2氣體保護焊：ER50—6（φ1.2mm）+CO2；

實芯焊絲富氬氣體保護自動焊：

ER50—6（φ1.6mm）+（Ar80%+CO220%）；

焊條電弧焊：E5015 （φ4.0mm）。

焊材在滿足相關(guān)標準的同時，與供貨單位又制定了高于標準的控制指標，以保證焊縫金屬擴散氫的含量和低溫沖擊韌性。

3.焊接工藝

根據(jù)本橋用鋼材焊接特點、焊縫接頭形式、質(zhì)量要求，對各種接頭選定的坡口形式、坡口尺寸、焊接材料和焊接工藝，按照JTJ041—2000《公路橋梁施工技術(shù)規(guī)范》和TB10212－2009《鐵路鋼橋制造規(guī)范》制定工藝評定試驗大綱，進行全面的焊接工藝評定試驗。工藝評定試驗通過后作為編制本橋焊接工藝文件的依據(jù)。根據(jù)該橋鋼梁的分塊、分段及制作特點，本橋焊接工藝主要分廠內(nèi)焊接和工地焊接兩大部分。

4.廠內(nèi)典型焊縫的焊接

根據(jù)該鋼梁分塊特點，梁段廠內(nèi)塊體制作焊接部分主要包括：橋面板單元、主縱梁、錨箱單元、橫梁、小縱梁及懸臂單元等。

（1）橋面板U形肋的焊接 U形肋與頂板間為坡口角焊縫，設(shè)計要求U形肋與頂板間坡口角焊縫熔透度≥80%，所有U肋坡口焊縫嚴禁焊漏。經(jīng)焊接工藝評定試驗后確定開圖2所示坡口，采用熱輸入較小的熔化極混合氣體保護自動焊船位同方向施焊U肋焊縫。

該焊縫的熔透質(zhì)量是正交異性板質(zhì)量的關(guān)鍵，為保證焊接質(zhì)量，制定以下焊接工藝要點：

圖2 U肋焊接坡口示意

第一，根據(jù)板單元焊接過程中的熱輸入、應力分布及變形趨勢，總結(jié)焊接變形的規(guī)律，確定反變形量，設(shè)計制作U肋焊接反變形胎架，在胎架上采用“反變形”技術(shù)控制U肋板塊單元的焊接變形。反變形工裝如圖3所示，所有的焊接在此胎架上進行。

圖3 U形肋焊接反變形工裝

第二，控制焊接方向和焊接順序，總體原則是同向交錯施焊，避免桿件集中受熱引起過大變形。

第三，焊絲干伸長對熔深影響較大，同時在電弧直對坡口根部時容易焊漏，規(guī)定U肋焊接的干伸長宜控制在20～25mm。

第四，U肋坡口角焊縫的熔深和成形對操作變化十分敏感，焊接過程中必須隨時跟蹤觀察電弧狀態(tài)，及時調(diào)整焊絲對正位置，電弧不宜直接對準坡口根部，應偏離坡口根部2～3mm朝向面板側(cè)。

第五，U肋端部150mm范圍內(nèi)允許使用藥芯焊絲CO2半自動焊手工焊接，焊接前將接頭處打磨成1∶5的斜坡。焊接完成后修磨接頭成勻順過渡，并將有鋼襯墊處修磨為不陡于1∶5斜坡。

（2）主縱梁四條主焊縫 主縱梁腹板與頂?shù)装逅臈l主焊縫均為熔透焊縫（見圖4），腹板板厚較薄，經(jīng)過焊接工藝評定試驗，選擇單面V形坡口，坡口開在箱內(nèi)側(cè)，采用藥芯焊絲CO2氣體保護焊。先在箱內(nèi)側(cè)焊接，外側(cè)焊前用碳弧氣刨進行清根，焊接時采用多人分段同向的順序。

圖4 主縱梁腹板與頂?shù)装迦弁附呛缚p示意

（3）錨箱單元熔透角焊縫 錨箱單元結(jié)構(gòu)構(gòu)造復雜，焊縫拘束度高，是全橋受力最重要的部位，為提高該部位的力學性能，經(jīng)焊接工藝評定，全部采用藥芯焊絲CO2氣體保護焊焊接，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。

根據(jù)錨箱結(jié)構(gòu)形式，由于空間受限，采用單面焊雙面成形工藝，坡口如圖6所示。焊接前坡口背面貼相應襯墊，錨拉板之間焊接背面貼鋼襯墊，錨拉板與連接板之間焊接背面貼陶質(zhì)襯墊，組裝時均留6mm間隙，焊接時注意焊道排列及層間清理，并及時調(diào)整焊接順序。

圖5 錨箱結(jié)構(gòu)

圖6 錨箱結(jié)構(gòu)坡口

5.工地焊接

根據(jù)工地施工方案，各接頭連接主要焊縫多為熔透焊縫，同時局部操作空間有限，因此焊接有較大的難度，不僅要保證焊縫的內(nèi)在質(zhì)量，而且要保證最小的焊接變形，故大量采用了CO2氣體保護焊，以保證結(jié)構(gòu)的連接精度。

（1）工地施焊順序及注意事項 工地整體組焊順序為先焊接各單元之間縱向連接焊縫，再焊接各梁段之間橫向連接焊縫，遵循對稱、均勻、同步施焊的原則，安排多人同時對稱進行焊接，并隨時觀察變形情況，注意調(diào)整焊接順序。

橋面板吊裝單元焊接順序：次縱梁與橫梁角接焊縫→橋面板之間縱向?qū)雍缚p→橫梁、次縱梁與橋面板角接焊縫。

主縱梁焊接順序：錨箱、連接板底板與主縱梁箱體底板對接焊縫→錨箱與主縱梁箱體連接焊縫→連接板與主縱梁箱體連接焊縫→主縱梁頂板與主縱梁箱體對接焊縫→錨箱、連接板與主縱梁頂板焊縫。

鋼箱梁整體焊接順序：橫梁與主縱梁接頭對接焊縫→橋面板與主縱梁頂板對接焊縫→懸臂與主縱梁連接焊縫。

鋼箱梁橫向接口焊接順序：主縱梁底板橫向焊縫→主縱梁腹板橫向焊縫→主縱梁頂板橫向焊縫→次縱梁橫向焊縫→橋面板橫向焊縫→懸臂橫向焊縫→嵌補段焊縫。

橋位橫向接口焊接應注意以下事項：①各接口焊接方向應兩側(cè)對稱施焊。②為減小因焊接而產(chǎn)生的附加應力和焊接殘余應力，焊接方向總的原則是：橫向焊縫應從橋中軸線向兩側(cè)對稱施焊；一端有自由端的長焊縫，可從另一端施焊向自由端前進；采用分中、對稱分段施焊。③應在橋面板、底板、腹板對接焊縫無損檢測合格后，方可組裝U肋、板條肋嵌補段。

焊接時注意焊道排列，焊道排列應上下交錯，以便形成相互交織成網(wǎng)狀的結(jié)晶，使焊縫雜質(zhì)偏析分散，有利于提高焊縫的低溫沖擊韌性。

（2）工地典型焊縫的焊接 錨箱單元與主縱梁連接焊縫：錨箱單元與主縱梁之間連接焊縫主要為底板對接焊縫、連接板與主縱梁底板及腹板的T形熔透角焊縫等。先焊接底板對接焊縫，探傷合格后焊接錨箱連接板與主縱梁腹板及底板熔透角焊縫等。

根據(jù)現(xiàn)場安裝情況，結(jié)合制造難度，經(jīng)焊接工藝評定后，對該部位接頭均采用單面單邊V形坡口。坡口開在錨箱單元，焊接方法為藥芯焊絲CO2氣體保護焊。錨箱底板與主縱梁底板采用單面焊雙面成形工藝，如圖7所示，焊接前在坡口背面貼陶質(zhì)襯墊；錨箱連接板與主縱梁腹板及底板T形熔透角焊縫先在坡口側(cè)焊接，背面焊接前用碳弧氣刨清根，注意清根質(zhì)量。

主縱梁與橫梁連接焊縫：主縱梁與橫梁之間連接焊縫包括橫梁底板與主縱梁底板焊縫，橫梁腹板與主縱梁橫梁接頭板焊縫，均為對接焊縫，分別選用單邊V形和雙邊V形坡口，根部留6mm間隙，背面貼陶質(zhì)襯墊，采用實芯焊絲CO2氣體保焊焊接，焊接時要求以橋軸中心為基準橫梁兩側(cè)對稱施焊，以保證兩側(cè)焊縫收縮一致，并隨時監(jiān)控變形趨勢，對焊接方向、焊接順序進行動態(tài)調(diào)整。

主縱梁橫向?qū)雍缚p：主縱梁橫向連接主要焊縫焊接順序：①腹板對接焊縫。②底板對接焊縫。③頂板對接焊縫。④腹板與頂?shù)装迦弁附呛缚p，如圖8所示，圖中帶圈數(shù)字表示焊接順序，箭頭為焊接方向。

腹板及底板對接均采用實芯CO2氣體保護半自動焊單面焊雙面成形焊接工藝，坡口如圖9所示，不等厚對接時將厚板加工1∶8斜坡。

腹板與頂?shù)装迦弁附呛缚p焊接前對腹板對接焊縫兩端頭和搭接部位進行氣刨修磨，腹板對接焊縫兩端修磨為腹板與頂?shù)装迦弁负缚p的坡口形式，搭接部位修磨為1∶5斜坡，用實芯CO2氣體保護半自動焊焊接，焊接完成后將搭接部位打磨勻順過度。

頂板對接焊縫：頂板縱、橫向?qū)硬捎帽趁尜N陶質(zhì)襯墊采用單面焊雙面成形工藝，用實芯焊絲CO2氣體保護半自動焊焊接打底焊縫，埋弧焊填充蓋面，如圖10所示。

圖7 錨箱底板與主縱梁底板焊縫示意

圖8 主縱梁橫向連接示意

圖9

焊接時注意：①打底焊縫采用CO2氣體保護焊共焊接兩層，厚度≥8mm。第1層打底焊接采用小熱輸入擺動焊接，以保證熔合良好；第2層打底焊接熱輸入可適當增加，采用窄焊道焊接。②埋弧焊接第一層填充焊接時電流取下限以防止焊漏，埋弧焊蓋面時電壓走上限。③埋弧焊填充時控制熱輸入和層間溫度確保焊縫力學性能，蓋面時多道蓋面，控制余高和焊縫外觀成形。④為了控制梁段總寬，焊接前頂板每條縱向?qū)雍缚p預留3mm收縮量，焊后橫向收縮總寬控制在驗收標準范圍內(nèi)。

圖10 對接焊縫示意

當受條件限制不能用埋弧焊蓋面時，可采用實芯焊絲CO2氣體保護焊蓋面，先焊接氣體保護焊焊道，然后焊接埋弧焊蓋面焊道（焊前將接頭處氣刨出1∶5的斜坡，并搭接20mm再行施焊，焊后將搭接處修磨勻順），如圖11所示。

U形肋和橫梁腹板的焊接：U形肋和橫梁腹板的相交處，由于承受往復作用的荷載，應力比較復雜，為提高此處的抗疲勞性能，待各板件就位后，采用實芯焊絲CO2氣體保護焊焊接，過焊孔處不進行引弧、熄弧，從下向上進行立位施焊U肋與橫梁腹板間角焊縫。對U肋與橫梁腹板角焊縫的端部進行包角處理，并對成形不勻順的地方進行修磨（見圖12）。

橋面板U形肋嵌補焊接：U肋嵌補段焊接順序：①先焊接U肋對接焊縫，如圖13所示。②將對接焊縫端部修磨出與預留段同樣的坡口，再焊接嵌補段U與頂板的坡口角焊縫。

圖11 氣體保護焊蓋面示意

圖12 U肋與橫梁腹板焊縫示意

焊接方法采用實芯焊絲CO2氣體保護焊，U肋對接采用單面焊雙面成形工藝，焊接前背面貼永久型鋼襯墊，如圖14所示，鋼襯墊采用連續(xù)焊焊接。

圖13 U肋嵌補段焊接示意

圖14 U肋對接焊縫示意

6.焊接檢測

（1）焊縫外觀檢測 待焊縫金屬冷卻后對所有焊縫進行外觀檢查。焊縫不得有裂紋、未熔合、焊瘤、夾渣、未填滿、弧坑及漏焊等缺陷，其質(zhì)量應符合驗收標準規(guī)定。

（2）焊縫無損檢測 焊縫經(jīng)外觀檢測合格后進行無損檢測，無損檢測在施焊完成24h后進行。其中：對頂板、底板縱向、橫向?qū)雍缚p和腹板橫向?qū)雍缚p進行100%超聲波+10%X射線按I級焊縫檢測；腹板與頂?shù)装宓娜弁附呛缚p，進行100%超聲波探傷按Ⅱ級焊縫檢測；U形肋與頂?shù)装彘g坡口角焊縫，焊接完成后對每條焊縫兩端1m范圍進行磁粉檢測，檢測等級II級。

超聲波按檢測方法按GB11345—1989《鋼焊縫手工超聲波探傷方法和探傷結(jié)果分級》執(zhí)行，X射線檢測方法按GB3323－1987《鋼熔化焊對接接頭射線照相和質(zhì)量分級》執(zhí)行，磁粉檢測方法按JB/T6061—1992《焊縫磁粉檢測方法和缺陷磁痕的分級》執(zhí)行。

（3）焊縫破壞性試驗 在焊接主要構(gòu)件產(chǎn)品時，增設(shè)產(chǎn)品焊接試板。產(chǎn)品焊接試板焊縫經(jīng)外觀和探傷檢測合格后，取樣進行破壞性試驗，進行接頭拉伸、側(cè)彎和焊縫金屬低溫沖擊試驗，獲得焊縫力學性能參數(shù)，用于監(jiān)控焊縫質(zhì)量的穩(wěn)定性。對于縱向?qū)雍缚p，每30條做一組焊接試板；橋位橫向?qū)雍缚p，每10條焊縫做一組焊接試板。

7.結(jié)語

該方案所選用的焊接工藝合理，焊縫外觀及力學性能均符合驗收標準，確保了該橋的生產(chǎn)制造質(zhì)量。