高建忠 徐向軍

1. 工程概述

港珠澳大橋是連接香港、珠海、澳門的大型跨海通道，集隧、島、橋?yàn)橐惑w，全長(zhǎng)35.6km，其中鋼箱梁全長(zhǎng)22.9km，總用鋼量約40萬t，主要材質(zhì)為Q345qD和Q420qD鋼板。

在鋼箱梁節(jié)段制造中，頂板、底板由多片板單元縱向?qū)佣?，鋼箱梁大?jié)段拼裝和橋上大節(jié)段間對(duì)接時(shí)，鋼箱梁頂板、底板需要進(jìn)行橫向?qū)雍?，因此，在鋼箱梁制造過程中有大量的板單元對(duì)接焊縫。板單元對(duì)接焊縫板厚16~30mm，采用單面V形坡口、預(yù)留5~8mm的間隙、背面襯陶質(zhì)襯墊的坡口形式，板單元對(duì)接焊縫坡口形式如圖1所示。目前，鋼箱梁板單元對(duì)接焊縫主要采用氣體保護(hù)焊打底，然后采用埋弧焊填充的工藝焊接。

2. 單電源雙細(xì)絲埋弧焊工藝

單電源雙細(xì)絲埋弧焊設(shè)備包括ZD5—1250E埋弧焊電源和MZC—1250N雙細(xì)絲埋弧焊車（見圖2）。常用的焊絲規(guī)格為φ1.6mm和φ2.0mm，一般采用直流反極性接法。

與單粗絲埋弧焊工藝相比，單電源雙細(xì)絲埋弧焊具有以下優(yōu)點(diǎn)：

第一，在相同電流下，細(xì)焊絲比粗焊絲的電流密度大，焊接時(shí)焊絲干伸長(zhǎng)部分所產(chǎn)生的電阻熱多，焊接時(shí)更容易熔化焊絲，所以細(xì)焊絲比粗焊絲在焊接時(shí)具有更高的熔敷速度。通過在相同焊接參數(shù)下，單位時(shí)間熔化的雙細(xì)絲（φ2mm）與單粗絲（φ5mm）質(zhì)量對(duì)比，前者比后者熔敷效率高15%～23%。

第二，兩根焊絲之間電弧輻射熱相互作用，能量利用率高，熔滴過渡更細(xì)，焊接過程更平穩(wěn)，焊縫成形更美觀。

第三，將兩根焊絲相對(duì)于焊接方向串列排布，可實(shí)現(xiàn)在很高焊速下完成很好的焊縫成形。

第四，由于熔敷速度增加，所以需要提高焊接速度，從而減小焊接熱輸入，細(xì)化焊縫晶粒，提高接頭力學(xué)性能，減少焊接變形。

圖1 板單元對(duì)接焊縫坡口形式

圖2 單電源雙細(xì)絲埋弧焊設(shè)備

3. 焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)

鋼箱梁板單元對(duì)接焊縫常用單粗絲埋弧焊填充，如果采用雙細(xì)絲埋弧焊工藝，需要進(jìn)行焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)。試驗(yàn)采用板厚16mm、20mm、30mm的Q345qD鋼板和板厚16、28mm的Q420qD鋼板，鋼板的力學(xué)性能如表1所示，焊接材料的化學(xué)成分和力學(xué)性能如表2所示。

五組對(duì)接焊縫的焊接參數(shù)如表3所示，焊接24h后對(duì)焊縫進(jìn)行外觀檢測(cè)，表面質(zhì)量符合TB10212—2009要求，對(duì)接頭進(jìn)行超聲波探傷，內(nèi)部質(zhì)量達(dá)到GB11345—1989Ⅰ級(jí)要求。之后對(duì)焊接接頭分別進(jìn)行了拉伸、彎曲、低溫沖擊、斷面酸蝕和接頭硬度試驗(yàn)，力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果如表4和表5所示，接頭力學(xué)性能全部合格。接頭斷面照片如圖3所示，接頭熔合良好。

表1 Q345qD和Q420qD鋼板力學(xué)性能

表2 焊絲、焊劑的化學(xué)成分和力學(xué)性能

表3 對(duì)接焊縫焊接參數(shù)

4. 生產(chǎn)應(yīng)用情況

在港珠澳大橋鋼箱梁節(jié)段制造和梁段間對(duì)接時(shí)，大量采用了單電源雙細(xì)絲埋弧焊工藝，焊接后對(duì)板單元對(duì)接焊縫進(jìn)行觀檢查，焊縫成形良好，無氣孔、夾雜及咬邊等缺陷，焊縫與母材過渡均勻，焊縫余高在2mm以內(nèi)，符合標(biāo)準(zhǔn)要求，圖4是單電源雙細(xì)絲埋弧焊接后焊縫外觀照片。優(yōu)良的外觀減少了焊縫打磨量，由于焊接熱輸入小，焊接變形小，大大的降低了制造成本。焊接24h后對(duì)其進(jìn)行超聲波檢測(cè)和射線檢測(cè)，其質(zhì)量符合GB11345—1989Ⅰ級(jí)要求。

單電源雙細(xì)絲埋弧焊的焊縫不但外觀成形好，而且具有優(yōu)良的力學(xué)性能。對(duì)某110m長(zhǎng)的大節(jié)段鋼箱梁制造過程中采用單電源雙細(xì)絲埋弧焊工藝焊接的產(chǎn)品試板力學(xué)性能的統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，Q345qD鋼板的對(duì)接焊縫抗拉強(qiáng)度值為500～534MPa，Q420qD鋼板的對(duì)接焊縫抗拉強(qiáng)度值603MPa，均大于母材標(biāo)準(zhǔn)值；彎曲試驗(yàn)結(jié)果全部合格；焊縫金屬-20℃低溫沖擊吸收能量為98~133J，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于-20℃沖擊吸收能量≥47J的規(guī)定，具有很高的韌性儲(chǔ)備。這樣采用單電源雙細(xì)絲埋弧焊工藝焊接的接頭既保證了焊縫的強(qiáng)度，又具有很好的韌性，對(duì)整個(gè)橋梁結(jié)構(gòu)的抗疲勞性能來說是非常有利的。

表4 對(duì)接焊縫拉伸和彎曲試驗(yàn)結(jié)果

表5 對(duì)接焊縫低溫沖擊和接頭硬度試驗(yàn)結(jié)果

圖3 接頭宏觀斷面照片

圖4 單電源雙細(xì)絲埋弧焊焊縫外觀

5. 結(jié)語

通過在港珠澳大橋鋼箱梁制造中的應(yīng)用，證明采用單電源雙細(xì)絲埋弧焊的焊縫外觀優(yōu)良，內(nèi)部質(zhì)量合格，接頭力學(xué)性能好，提高了鋼箱梁的制造質(zhì)量。因此單電源雙細(xì)絲埋弧焊工藝在鋼結(jié)構(gòu)制造中具有廣闊的應(yīng)用前景。