港珠澳大桥150mm厚板焊接工艺

易文林，张 虎，向晋华，胡海清，余志强

（武船重型工程股份有限公司，湖北 武汉 430415）

0 前言

港珠澳大桥江海直达船航道桥为三塔单面斜拉索桥，钢索塔呈“海豚”形，如图1所示，其中中塔高达109.756 m、重达近3 000 t，且外形结构复杂，熔透焊缝比例高，主塔结构钢材为Q345qD，最大板厚150mm。钢索塔的制造是港珠澳大桥钢结构制造工程的重点和难点，而港珠澳大桥业主对其制造提出了无损制造理念和要求，因此，拼板对接焊缝的无“马”装焊成为无损制造中的首要环节。150mm超厚板无“马”装焊在国内期刊鲜见报道，控制超厚板焊接变形和保障焊接质量成为一项极具挑战性的尝试。

1 厚板焊接难点及控制措施

港珠澳大桥钢索塔Z0节段承压板厚达150mm，由4块长度超过10 m的Q345qD钢板拼接而成，焊缝为全熔透。厚板在焊接过程中容易产生很大的焊接内应力和焊接变形，焊后常常出现焊缝结晶组织粗大、韧性下降、焊接残余应力大、焊接裂纹等问题。厚板焊接过程控制主要从控制焊接热输入量（线能量）、焊缝层（道）间温度、焊缝冷却速度、翻面焊接等方面入手。然而，在实际生产过程中，厚板无“马”装焊的重点和难点则是监控焊接变形量，把握翻面时机。

2 焊接工艺评定试验

2.1 焊接工艺评定试板

焊接工艺评定用母材为Q345qD（板厚100mm），其供货技术条件符合国家标准GB/T 714－2008《桥梁用结构钢》，化学成分和力学性能分别如表1和 表2所示。

表1 Q345qD（δ=100mm）化学成分%

表2 Q345qD（δ=100mm）力学性能

2.2 焊接坡口设计

焊缝坡口形式对焊接质量和焊接变形控制影响较大，相同的坡口形式，坡口角度过大或过小均会对焊缝产生不利影响。坡口角度太小，易形成窄而深的焊缝，焊缝成形系数小[1]，焊缝中心易形成粗大的柱状晶，从而产生区域偏析，增大热裂纹出现机率；坡口角度过大，焊缝金属填充量增加，焊后残余应力也相应增加。

图1 港珠澳大桥江海直达航道桥钢索塔

经过多次比选和优化后，采用机械加工法将焊评试板加工成带钝边的双面不对称U型坡口，有利于减小焊接工作量。

2.3 焊材选用及焊评试板焊接

根据以往工程实际应用并按等强匹配原则[2]，选用直径φ5.0mm的埋弧焊丝H10Mn2+焊剂SJ101q。焊前清磨焊评试板待焊区域，去除底漆、油污、铁锈及其他杂物，并采用陶质电加热片将试板预热至100±20℃。焊接工艺评定试板焊接过程为：先焊深坡口侧，浅坡口侧清根并打磨后再焊接，深、浅坡口侧交替焊接，焊缝层（道）间温度120～180℃，其他焊接参数如表3所示。

2.4 焊接工艺评定试验结果

焊后48 h后对焊接工艺评定试板进行焊缝外观检测和超声波BⅠ级探伤[3-4]。检测合格后，按照国标GB 226、GB/T 2649～2654对试板进行焊接接头宏观断面酸蚀（见图2），焊接接头拉伸，焊缝金属拉伸、冲击试验，硬度试验，焊接接头弯曲等试验。焊接接头力学性能如表4所示。

图2 焊接工艺评定试板宏观金相

3 承压板焊接工艺

钢索塔Z0节段承压板由4块规格为150mm×2657mm×10628mm板拼接而成，如图3所示，重约127 t。承压板拼接焊缝坡口示意如图4所示，深坡口侧深度79mm，浅坡口侧深度65mm，钝边6mm。

表3 焊接工艺评定参数

表4 焊接接头力学性能

图3 Z0节段承压板结构

图4 承压板坡口形式

3.1 焊前准备工作

在专用平胎架上进行无“马”装配，通过千斤顶和配重来调整装配精度，错边量小于等于1mm。焊缝两端安装引、熄弧板，并打磨清理坡口及两侧待焊区域不少于30mm范围，采用陶质电加热片加热至100±20℃。

3.2 焊接过程控制

①根据焊接工艺评定试验参数进行连续焊接；②采用点温计测量层间温度，避免层（道）间温度过高；③采用石棉布进行保温缓冷；④通过拉线和直尺测量焊接角变形量，确定翻面焊接时机。

S*CY01与S*CY02拼板焊接（简称“双拼”）共进行5次翻面，其焊接过程为：①先焊深坡口侧，焊完第7道后（焊后深度h=59mm，S*CY01下表面板边距胎架96mm）进行第1次翻面；②对浅坡口侧进行清根、打磨和预热；③浅坡口侧焊完第7道后（焊后深度h=59mm，S*CY01下表面板边距胎架78mm），进行第2次翻面；④待深坡口侧再焊接完17道后（焊后深度h=28mm，S*CY01下表面板边距胎架11～13mm），进行第3次翻面；⑤浅坡口侧再焊接28道后（焊后深度h=10mm，S*CY01下表面板边距胎架3～5mm），进行第4次翻面；⑥再焊接深坡口侧，完成25道焊道后（深坡口侧坡口填充完毕）进行第5次翻面；⑦将浅坡口侧焊缝焊至与母材平齐。

S*CY01/02与S*CY03/04拼板焊接（简称“大拼”）共进行3次翻面，其焊接过程如下：①先焊深坡口侧，焊完第13道后（焊后坡口深度h=45～46mm），进行翻面；②对浅坡口侧进行清根、打磨和预热，焊完第14道后（坡口深度h=41～44mm）再次进行翻面，将深坡口侧焊接至于母材平齐；③进行第3次翻面，完成浅坡口侧的焊缝。

由双拼和大拼焊接过程可知，钢板自重不同，翻面时机也不同。双拼时，深坡口侧焊完7道后便出现较大的焊接角变形；大拼时，深坡口侧在焊完10道后，焊接角变形依然不明显，但是11道完成后焊接内应力大于钢板自重，出现了明显焊接角变形，而焊完第13道后，焊接角变形较大，不宜继续施焊，需翻面焊接。

图5 焊前预热

图6 拼板翻面

3.3 焊后保温及平面度测量

焊后采用石棉布进行保温缓冷，防止焊缝冷却过快产生脆硬组织。

采用水准仪检测平面度，承压板焊后整体平面度控制较理想，测量监控点标高差小于10mm，满足港珠澳大桥精度要求。

3.4 超声波探伤

按照《铁路钢桥制造规范》TB10212-2009对接焊缝无损检验要求对焊缝全长进行超声波BⅠ级检测，并对焊缝两端及中间250mm区域进行超声波CⅠ级检测（代替X射线检测）。经上述两类超声波无损检测，承压板对接焊缝无损检测一次合格率为100%。

4 结论

（1）焊接工艺评定焊接接头力学性能满足相关国家标准及技术规范要求，焊接工艺评定中的焊接试验参数可用于指导实际焊接操作。

（2）受钢板本身自重影响，厚板焊接时产生焊接角变形的快慢也不同，翻面时机和次数应考虑钢板自重的影响，一旦错过最佳翻面时机，会出现焊接变形过大导致焊缝背侧开裂，或出现不可抵消的角变形；而过早翻面，则会增加翻面次数，增加制作风险和成本。

（3）厚板无“马”装焊应加强焊接过程控制，通过焊前预热、控制焊接线能量、监测层间温度和焊接角变形、及时翻面焊接、焊后保温缓冷等措施可有效控制焊接变形。

参考文献：

[1]裴雪峰，张剑锋，车平.泰州桥钢塔厚板焊接技术[J].电焊机，2011，41（8）：56-61.

[2]张子荣，时炜.简明焊接材料选用手册[M].北京：机械工业出版社，2004.

[3]中华人民共和国行业标准.铁路钢桥制造规范[S].TB10212-2009.

[4]中华人民共和国国家标准.钢结构焊接规范[S].GB 50661-2011.