钢管拱横撑管单面焊双面成型工艺研究

2011-04-12王立业韵德平

科学之友 2011年7期

王立业，韵德平

（太原铁建公司钢结构分公司，山西太原 030003）

1 工程概况

京沪高铁柳泉镇后八丁特大桥96 m下承式钢管混凝土系杆拱钢拱肋采用悬链线线型，梁全长100 m，计算跨长为96 m，矢跨比为f/l=1/5，拱肋平面内矢高19.2 m，拱肋横截面采用哑铃形钢管混凝土截面，截面高度h=3.0 m，沿程等高布置，钢管直径为1 000 mm，由板厚16 mm的钢板卷制而成，每根拱肋的两钢管之间用δ=16 mm的腹板连接，主材材质均为Q345qD。两拱肋之间共设5道横撑，拱顶处设X型撑，拱顶至两拱脚间设4道K型横撑。横撑由φ500，φ400和φ360mm的圆形钢管组成，横撑管的接长为对接焊缝，横撑管节的焊接主要是纵向焊缝和环向焊缝的焊接。

2 横撑管焊接主要施工特点和难点

横撑管由几个筒节焊接成型，焊接方法采用单面焊双面成型焊接，焊接直接影响整桥线形和总体质量的控制，这就要求必须严格制定合理的焊接工艺及其实施细则，采取有效措施，高标准地保证焊接质量。

该桥横撑管焊接施工特点和难点主要体现在以下几方面：①焊缝质量要求高：焊缝全部为全熔透I级焊缝，质量要求高。②焊接变形控制难度大：横撑管由多个筒节焊接组成，对接环焊缝多，熔敷金属填充量大，在直径方向的收缩量大，从而导致焊接变形难以控制。③单面焊双面成型操作难度大，成型质量差。

3 焊接工艺对比分析

根据横撑管设计要求筒节对接纵向焊缝和环向焊缝为全熔透，焊接方法采用单面焊双面成型焊接，对此拟定了3组不同焊接方法、坡口形式的焊接工艺进行焊接工艺评定。

3.1 主要焊接工艺评定试验

3.1.1 焊接材料及设备选择

焊接材料的选用依据是母材化学成分及强度等级，同时必须考虑板厚及坡口形式，一般中厚板Q345qD手弧焊焊接材料选择为E5016，焊接设备选择BX1-500，CO2气体保护焊焊接材料为ER50-6，焊接设备为YD-500KR。

3.1.2 试板坡口形式及焊接方法

对于单面焊双面成型焊接，常用坡口形式为V形坡口，采用不同焊接方法进行试验，具体方法有：①V形坡口，CO2气保焊打底、填充、盖面；②V形坡口，手弧焊打底、填充、盖面；③V形坡口，CO2气保焊打底焊接，填充和盖面采用手弧焊接。

3.1.3 焊接参数的选择

对3组试件制作多个试板，通过多次试验对每组试件得出一组可靠的焊接工艺参数，3组试件焊接参数见表1。

表1 3组试件焊接参数

3.2 焊接工艺评定试验结果及分析

3.2.1 试验结果

3组试件焊缝外观检验合格后，在焊后24 h进行X射线探伤检查，焊缝内部质量达到I级。然后分别进行了弯曲、拉伸、-20℃低温冲击功试验，结果见表2和表3。

表2 拉伸和弯曲试验结果

表3 -20℃时低温冲击功试验结果

3.2.2 结果分析

（1）焊缝强度：由表2的实验结果可以看出3组试件的焊缝金属抗拉强度均高于母材标准值抗拉强度标准值510 MPa，屈服强度均高于母材标准值345 MPa，满足设计要求。

（2）焊缝塑性：由表2的实验结果可以看出3组试件的焊缝金属延伸率大于标准值21%；接头侧弯试验结果均完好，说明接头塑性满足设计要求。

（3）接头韧性：由表3可以看出，B1和B3试件-20℃低温冲击功均大于标准值34 J，满足设计要求；B2试件焊缝金属冲击功小于34 J，不满足要求。

通过上述分析发现，B1和B3试件采用的焊接工艺符合要求，CO2气体保护焊单面焊双面成型焊接质量可靠，它与手工电弧焊相比具有操作简单、熔池容易控制、背面成型优良；焊接质量好、焊接速度快、焊缝内部质量容易达到探伤的质量要求、操作方法比较容易掌握、成本低、效率高等特点，因此采用CO2气体保护焊方法。

4 单面焊双面成型焊接的缺陷及采取的工艺措施

优质的单面焊双面成型焊接的焊缝表面应圆滑过渡至母材,表面不得有裂纹、未熔合、夹渣、气孔、焊瘤、咬边等缺陷，焊缝内部同样不允许有缺陷。但焊接过程中由于设备、材料、工艺及操作等原因,使得形成的焊缝达不到质量要求,从而对结构的工作质量和使用寿命产生严重的影响，为此在施工中采取以下措施：

4.1 工艺准备

4.1.1 坡口形式及组装

CO2气体保护焊对坡口形式和组装的要求较为严格。对接焊缝的坡口形式以及尺寸包括角度、钝边和装配间隙。

坡口角度主要影响电弧是否能深入到焊缝的根部，使根部焊透，进而获得较好的焊缝成型和焊接质量，保证电弧能够深入到焊缝根部的前提下，应尽量减小坡口角度。

钝边的大小可以直接影响根部的熔透深度，钝边越大，越不容易焊透。钝边小或无钝边时容易焊透，但装配间隙大时，容易烧穿。

装配间隙是背面焊缝成型的关键参数，间隙过大，容易烧穿；间隙过小，很难焊透。

单面焊双面成型封底焊缝的熔滴过渡形式为短路过渡，通常可以选用较小的钝边，甚至可以不留钝边，装配间隙为0～2 mm，坡口角度依据GB985—1988《气焊、手工电弧焊及气体保护焊焊缝坡口的基本形式与尺寸》的标准要求采用V形坡口,坡口角度在60°±5°，对提高坡口精度以及焊接质量起到了很好的作用。

4.1.2 焊接电流的选择

焊接电流是确定熔深的主要因素，当焊接电流太大时，则焊缝背面容易烧穿、出现咬边、焊瘤，甚至产生严重的飞溅和气孔等缺陷；过小时，容易出现未熔合、未焊透、夹渣和成型不好等缺陷。试验表明：当选用直径为1.2 mm焊丝时,单面焊双面成型的封底焊接电流为100～120 A较为合适。因此,焊接电流的大小直接影响焊缝的成型以及焊接缺陷的产生。

4.1.3 焊接电压的选择

在短路过渡的情况下，电弧电压增加则弧长增加。电弧电压过低时，焊丝将插入熔池，电弧变得不稳定。所以电弧电压一定要选择合适，通常焊接电流小，则电弧电压低；电流大，则电弧电压高。

4.1.4 焊接速度的选择

当焊丝直径、焊接电流和电压为定值时，熔深、熔宽及余高随着焊接速度的增大而减小。如果焊接速度过快，容易使气体的保护作用受到破坏，焊缝冷却的速度太快，焊缝成型不好；接速度太慢，焊缝的宽度显著增大,熔池的热量过分集中，容易烧穿或产生焊瘤。

4.2 操作方法

CO2气体保护焊是明弧操作，熔池的可见度好，容易掌握熔池的变化，可以直接观察到电弧击穿的熔孔，能够控制熔孔的大小并且保持一致，在这方面要比手工电弧焊优越得多。另外，焊接时接头少，不易产生缺陷，但操作不当也容易产生缺陷。所以，操作时应特别引起注意。

4.2.1 干伸长度的控制

干伸长度对焊接过程的稳定性影响比较大，当干伸长度越长时，焊丝的电阻值增大,焊丝过热而成段熔化，结果使焊接过程不稳定，金属飞溅严重，焊缝成形不好以及气体对熔池的保护也不好；如果干伸长度过短，则焊接电流增大，喷嘴与工件的距离缩短，焊接的视线不清楚，易造成焊道成型不良，并使得喷嘴过热，造成飞溅物粘住或堵塞喷嘴，从而影响气体流通。因此，干伸长度一般选择焊丝直径的10倍为最佳干伸长度。

4.2.2 打底焊焊缝接头

打底焊时，应尽量减少接头，若需要接头时，用砂轮把弧坑部位打磨成缓坡形。打磨时要注意不要破坏坡口的边缘，造成焊管的间隙局部变宽，给打底焊带来困难。接头时，干伸长的顶端对准缓缓焊接，当电弧燃烧到缓坡的最薄的位置时，正常摆动。CO2气体保护焊的焊接接头方式与手工电弧焊的接头完全不一样。手工焊焊接接头时，当电弧烧到熔孔处时，压低电弧，稍作停顿才能接上；而CO2气体保护焊只需正常的焊接，用它的熔深就可以把接头接上。

4.2.3 打底焊

打底焊是焊管焊接接头质量的关键，注意熔接时接头的方法，才能避免焊接缺陷的产生。焊接电流应依据坡口角度的大小作适当的调整，坡口角度大时散热面积小，电流应调小一些，否则容易造成塌陷和反面咬边等缺陷。打底焊时选用短齿形摆动，由于短齿形的间距没有掌握好，焊丝在装配间隙中间穿出，如果在整条焊缝中有少量的焊丝穿出，是允许的；如果穿出的焊丝很多，则是不允许的。为了防止焊丝向外穿出，打底焊时，焊枪要把握平稳，可以用两手同时把握焊枪，右手握住焊枪后部，食指按住启动开关，左手握住焊把鹅颈部分就可以了，这样就能减少穿丝或不穿丝，保证打底焊的顺利进行和打底焊的内部质量。

要注意的是，在打底焊前应对焊接规范进行检查，避免在施焊的过程中出现问题，检查导电阻的内径是否合适，注意喷嘴内部的飞溅物是否堵塞喷嘴。停弧或打底焊结束时，焊枪不要马上离开弧坑，以防止产生缩孔及气孔。