重慶東水門長(zhǎng)江大橋中縱梁焊接技術(shù)

中鐵寶橋集團(tuán)有限公司 （陜西寶雞 721006） 裴雪峰 賈玉青 黃河珍

1.工程概況

重慶東水門長(zhǎng)江大橋起于南岸區(qū)涂山路（龍門浩小學(xué)），跨越長(zhǎng)江后經(jīng)湖廣會(huì)館平接渝中區(qū)陜西路，主橋?yàn)椋?22.5+445+190.5）m雙塔單索面鋼桁梁斜拉橋，鋼梁全長(zhǎng)858m。該橋采用上下層布置的公軌兩用橋梁，下層為雙線軌道交通，線間距6m，上層為雙向四車道汽車交通，上層橋面寬24～39.2m。鋼桁梁采用無(wú)豎桿整體節(jié)點(diǎn)三角桁架，上下層橋面系為正交異性整體鋼橋面板。鋼桁梁主體材質(zhì)采用Q345qD、Q420qD，鋼梁總重約23000t。

主橋橋型布置、鋼桁梁典型截面如圖1、圖2所示。

圖1 重慶東水門長(zhǎng)江大橋橋型布置

圖2 鋼桁梁典型截面

2.中縱梁結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

上層橋面兩主桁間全橋通長(zhǎng)設(shè)置中縱梁，部分中縱梁中設(shè)置錨箱，作為索梁連接的主要構(gòu)件，索力通過(guò)設(shè)置錨箱的中縱梁傳遞給上層橋面板，然后傳遞到主桁結(jié)構(gòu)。中縱梁為焊接箱型截面，截面寬820mm，高1000mm，分為無(wú)索區(qū)中縱梁、帶耳板結(jié)構(gòu)中縱梁及帶錨箱結(jié)構(gòu)中縱梁。

帶錨箱結(jié)構(gòu)中縱梁材質(zhì)為Q370qE，由頂板、底板、節(jié)點(diǎn)板（腹板）、隔板、錨箱單元、接頭板、加勁肋等件組成。本橋鋼錨箱構(gòu)造獨(dú)特，傳力簡(jiǎn)捷，區(qū)別于以往鋼桁梁內(nèi)置式錨箱，錨箱與中縱梁節(jié)點(diǎn)板采用插入式連接，錨箱承力板與中縱梁節(jié)點(diǎn)板間為十字焊縫坡口焊，降低了焊接對(duì)操作空間的要求。承力板與節(jié)點(diǎn)板間實(shí)現(xiàn)了雙面焊接，消除了內(nèi)置式錨箱承力板與節(jié)點(diǎn)板間單面焊帶來(lái)的焊接變形及應(yīng)力集中的問(wèn)題，更加有利于確保此處的焊接質(zhì)量。

帶錨箱結(jié)構(gòu)中縱梁結(jié)構(gòu)形式如圖3所示。

圖3 帶錨箱中縱梁結(jié)構(gòu)

3.焊接難點(diǎn)分析及對(duì)策

（1）易產(chǎn)生焊接裂紋 中縱梁鋼板材質(zhì)為Q370qE，淬硬傾向大，焊后殘余應(yīng)力增大，易產(chǎn)生焊接裂紋，對(duì)焊接工藝的要求很高，因此焊前預(yù)熱及創(chuàng)造良好的施工環(huán)境是制造的關(guān)鍵。

（2）焊接變形大 中縱梁構(gòu)造復(fù)雜，連接方向多，焊縫密集，且頂板與腹板在中間錨固區(qū)7000mm范圍內(nèi)為全熔透，焊接變形大，作為主要傳力部位，焊接質(zhì)量要求很高。

（3）空間定位精度要求高 錨箱與中縱梁節(jié)點(diǎn)板采取插入式連接，空間定位精度要求高，其焊接變形直接影響錨箱組裝精度，進(jìn)而影響鋼桁梁橋位安裝及成橋線形。

針對(duì)以上焊接難點(diǎn)，分別從焊接工藝的選擇、焊接變形控制以及焊接質(zhì)量控制等幾方面進(jìn)行探討，確保中縱梁制造達(dá)到設(shè)計(jì)和規(guī)范要求。

4.焊接工藝及變形控制

（1）焊接工藝評(píng)定 中縱梁的焊接除了按設(shè)計(jì)圖紙的要求外，必須遵循《鐵路鋼橋制造規(guī)范》（TB10212—2009），同時(shí)還應(yīng)對(duì)主要和重要的焊接接頭進(jìn)行焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)和工藝性能試驗(yàn)。焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)程序如圖4所示。

圖4 焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)程序

（2）焊接材料的選用 根據(jù)焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)結(jié)果，中縱梁選用的焊接材料如附表所示。

中縱梁選用的焊接材料

（3）焊接要求及焊接坡口形式 本工程設(shè)計(jì)焊接要求如圖5所示，結(jié)合設(shè)計(jì)要求及焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)結(jié)果，中縱梁焊接采用坡口形式如圖6所示。

圖5 設(shè)計(jì)焊接要求

圖6 中縱梁焊接坡口形式

（4）焊接工藝流程及焊接變形控制措施 節(jié)點(diǎn)板與腹板不等厚對(duì)接焊縫的焊接：不等厚對(duì)接較厚板按照要求開過(guò)渡斜坡，與薄板勻順過(guò)渡。焊接采用埋弧焊進(jìn)行，兩端部均加引、熄弧板，保證端部焊接質(zhì)量。正面焊接前為防止焊漏，可在背面墊焊劑墊，背面第一道焊接前清根，保證熔透。焊接過(guò)程可采取多次翻身，雙面交替施焊，減小焊接變形。

頂板縱向加勁肋的焊接：縱肋焊接采用“實(shí)芯焊絲混合氣體保護(hù)焊+船位雙向反變形”方案，結(jié)合其結(jié)構(gòu)形式、熱量輸入、應(yīng)力分布及變形趨勢(shì)，確定反變形量，設(shè)計(jì)制作反變形胎架。根據(jù)不同的板單元寬度、厚度，橫向設(shè)置不同的反變形，板單元置于胎架上后周邊用夾具壓緊，然后焊接，可實(shí)現(xiàn)板單元焊后基本無(wú)變形，頂板單元焊接示意如圖7所示。

圖7 頂板單元焊接示意

所有焊縫焊接時(shí)都保持焊接方向一致，根據(jù)加勁肋數(shù)量以及焊縫焊接時(shí)產(chǎn)生側(cè)向彎曲的傾向安排合理的焊接順序，減小扭曲變形和側(cè)向彎曲變形。

頂板、腹板（節(jié)點(diǎn)板）、隔板組成的槽型焊接：①隔板與頂板、腹板焊縫，采用CO2氣體保護(hù)焊，先焊接節(jié)點(diǎn)板位置隔板，盡量對(duì)稱施焊，并保證焊縫外觀質(zhì)量。②焊接腹板與頂板內(nèi)側(cè)焊縫，該焊縫在拉索7000mm區(qū)域?yàn)槿弁负缚p，其余部位為不熔透坡口焊縫，坡口過(guò)渡區(qū)施焊前先用碳弧氣刨將坡口變化處刨出過(guò)渡坡，并對(duì)刨槽表面進(jìn)行打磨，使坡口變化處過(guò)渡勻順。在槽型兩端頭部位增設(shè)工藝隔板以控制焊接變形引起的扭曲和旁彎。槽型結(jié)構(gòu)如圖8所示。

箱體的焊接：為減小焊接變形對(duì)箱口尺寸帶來(lái)的影響，焊接前對(duì)節(jié)點(diǎn)板部位進(jìn)行預(yù)彎（見(jiàn)圖9），采用埋弧焊焊接下蓋板與腹板焊縫、頂板與腹板外側(cè)焊縫。箱體總成焊接時(shí)，在端口和內(nèi)部適當(dāng)位置增設(shè)剛性工裝框架或剛性臨時(shí)支撐，增加結(jié)構(gòu)的整體剛度，有效地控制了焊接變形。

圖8 槽型結(jié)構(gòu)

圖9 節(jié)點(diǎn)板預(yù)彎示意

頂板與腹板熔透焊縫區(qū)域外側(cè)焊接前進(jìn)行清根。四條焊縫的焊接方向保持一致，并盡量對(duì)稱施焊，同時(shí)用CO2氣體保護(hù)焊焊接端隔板以外箱形內(nèi)側(cè)角焊縫。

裝拉索橫梁內(nèi)（外）隔板、小橫梁外隔板、錨箱底板等，根據(jù)組裝順序進(jìn)行焊接，均采用CO2氣體保護(hù)焊。

錨箱單元件的焊接、錨箱單元與中縱梁箱形焊接：錨箱的焊接是中縱梁焊接的重點(diǎn)和難點(diǎn)。錨箱承力板與兩節(jié)點(diǎn)板在該部位形成十字接頭焊縫，受力復(fù)雜，且采用深坡口部分熔透焊接，施焊空間狹小，焊接難度大，焊接變形難以控制。為使部分焊縫能夠自由地收縮，從而分散焊接變形，降低矯正焊接變形的難度，確保鋼錨箱的焊接質(zhì)量，錨箱整體焊接分兩步進(jìn)行。先是錨箱單元的焊接（見(jiàn)圖10），再進(jìn)行錨箱單元與中縱梁箱形的整體焊接（見(jiàn)圖11）。

總體焊接順序原則如下：先焊接焊縫金屬填充量多、收縮量大的焊縫，后焊接焊縫金屬填充量少、收縮量小的焊縫；先焊接主要焊縫，后焊接其他焊縫，如鋼錨箱中主要受力焊縫為節(jié)點(diǎn)板與錨箱承壓板間的“十字”形焊縫，在鋼箱梁總成時(shí)，此焊縫先焊；采用對(duì)稱焊接，使結(jié)構(gòu)件的受熱均勻，減小結(jié)構(gòu)件的焊接變形。所有焊縫均采用焊條電弧焊或CO2氣體保護(hù)焊完成，并選則優(yōu)秀焊工進(jìn)行焊接，確保焊縫外觀、內(nèi)部質(zhì)量，提高焊縫沖擊韌性值。

圖10 錨箱單元的焊接

圖11 錨箱整體的焊接

5.焊接質(zhì)量控制

帶錨箱中縱梁板厚較大，其中錨箱承力板板厚40mm，端部承壓板厚100mm，節(jié)點(diǎn)板厚40mm，頂板錨固區(qū)板厚50mm。中縱梁的焊接主要為厚板的焊接，控制好厚板的焊接質(zhì)量，是保證中縱梁質(zhì)量的關(guān)鍵。厚板的焊接特點(diǎn)：①需填充的焊縫金屬量大，相對(duì)而言，焊接變形量大。②達(dá)到了三維散熱條件，焊接過(guò)程中熱量的散失較快，特別是錨箱承力板和節(jié)點(diǎn)板之間的“十字”接頭表現(xiàn)更明顯，出現(xiàn)層狀撕裂和冷裂紋的傾向增加。因此，對(duì)中縱梁焊接采取了以下控制措施。

（1）原材料的控制 層狀撕裂主要是軋層非金屬夾雜物與基體金屬脫聚而致，即層狀撕裂的主要影響因素是鋼材的軋層夾雜物，而常見(jiàn)的是硫化物。因此，在厚鋼板訂貨時(shí)，要求控制S含量低于0.010%，提高厚板Z向性能，防止產(chǎn)生層狀撕裂。冷裂紋是指在室溫附近出現(xiàn)的裂紋，最常見(jiàn)的冷裂紋是氫致裂紋，此裂紋是擴(kuò)散氫在三向應(yīng)力區(qū)聚集引起的。制定焊接材料供貨技術(shù)條件，要求焊接材料的低溫沖擊韌性好，同時(shí)還要求焊接材料的擴(kuò)散氫含量≥5mL/100g，減少焊縫金屬中擴(kuò)散氫的含量，避免出現(xiàn)氫致裂紋。嚴(yán)格焊接材料的入庫(kù)、保管、烘干、發(fā)放、回收等管理，特別是針對(duì)藥芯焊絲的保管和使用提出具體規(guī)定。

（2）優(yōu)化設(shè)計(jì)焊接坡口 對(duì)焊縫坡口形式進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使各種接頭易于焊接，減少裂紋、氣孔、夾渣、未熔合等焊接缺陷出現(xiàn)的可能性。錨箱承力板和節(jié)點(diǎn)板間“十字”接頭焊縫采用雙面坡口焊接，減少焊接變形，降低焊接殘余應(yīng)力峰值。

（3）焊前預(yù)熱 預(yù)熱的主要目的是為了減小焊縫的冷卻速度，增大熱循環(huán)的低溫參數(shù)t100，使之有利于氫的充分?jǐn)U散和逸出，防止厚板焊接產(chǎn)生冷裂紋。預(yù)熱溫度根據(jù)焊接性試驗(yàn)確定，采用電加熱或火焰進(jìn)行預(yù)熱。

（4）焊接過(guò)程的控制 焊接操作時(shí)采用窄焊道，多層多道焊進(jìn)行焊接，每層焊縫在保證焊接質(zhì)量的情況下要求盡量厚一點(diǎn)；使用小電流施焊，減小焊接變形。

（5）焊接順序的控制 除按總體的焊接順序焊接外，“十字”接頭部位采用內(nèi)外兩側(cè)焊縫同時(shí)同向的焊接順序進(jìn)行。

（6）層間溫度的控制 層間溫度的作用與預(yù)熱溫度一致，厚板焊接時(shí)應(yīng)連續(xù)作業(yè)，要求保持層間溫度不低于預(yù)熱溫度。

（7）人員及設(shè)備的控制 盡量采用定人、定設(shè)備、定工位制度，減少因人員操作技能的差異而引起的隨機(jī)變形。

（8）焊后處理 每焊接完一段焊縫后，在清理焊接熔渣及飛濺時(shí)，順便對(duì)焊縫進(jìn)行錘擊，以便消除部分焊接內(nèi)應(yīng)力。接頭焊接完工后，主要角焊縫還應(yīng)進(jìn)行超聲波沖擊處理，以降低焊接殘余應(yīng)力峰值。

6.結(jié)語(yǔ)

本工藝已經(jīng)過(guò)試制評(píng)審并進(jìn)行了批量生產(chǎn)，證明了本工藝的可行性、合理性，也為公司以后類似鋼桁梁的制作提供了參考。（20131106）