港珠澳大橋150mm厚板焊接工藝

易文林，張 虎，向晉華，胡海清，余志強(qiáng)

（武船重型工程股份有限公司，湖北 武漢 430415）

0 前言

港珠澳大橋江海直達(dá)船航道橋?yàn)槿蚊嫘崩鳂?，鋼索塔呈“海豚”形，如圖1所示，其中中塔高達(dá)109.756 m、重達(dá)近3 000 t，且外形結(jié)構(gòu)復(fù)雜，熔透焊縫比例高，主塔結(jié)構(gòu)鋼材為Q345qD，最大板厚150mm。鋼索塔的制造是港珠澳大橋鋼結(jié)構(gòu)制造工程的重點(diǎn)和難點(diǎn)，而港珠澳大橋業(yè)主對(duì)其制造提出了無(wú)損制造理念和要求，因此，拼板對(duì)接焊縫的無(wú)“馬”裝焊成為無(wú)損制造中的首要環(huán)節(jié)。150mm超厚板無(wú)“馬”裝焊在國(guó)內(nèi)期刊鮮見(jiàn)報(bào)道，控制超厚板焊接變形和保障焊接質(zhì)量成為一項(xiàng)極具挑戰(zhàn)性的嘗試。

1 厚板焊接難點(diǎn)及控制措施

港珠澳大橋鋼索塔Z0節(jié)段承壓板厚達(dá)150mm，由4塊長(zhǎng)度超過(guò)10 m的Q345qD鋼板拼接而成，焊縫為全熔透。厚板在焊接過(guò)程中容易產(chǎn)生很大的焊接內(nèi)應(yīng)力和焊接變形，焊后常常出現(xiàn)焊縫結(jié)晶組織粗大、韌性下降、焊接殘余應(yīng)力大、焊接裂紋等問(wèn)題。厚板焊接過(guò)程控制主要從控制焊接熱輸入量（線能量）、焊縫層（道）間溫度、焊縫冷卻速度、翻面焊接等方面入手。然而，在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，厚板無(wú)“馬”裝焊的重點(diǎn)和難點(diǎn)則是監(jiān)控焊接變形量，把握翻面時(shí)機(jī)。

2 焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)

2.1 焊接工藝評(píng)定試板

焊接工藝評(píng)定用母材為Q345qD（板厚100mm），其供貨技術(shù)條件符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 714－2008《橋梁用結(jié)構(gòu)鋼》，化學(xué)成分和力學(xué)性能分別如表1和 表2所示。

表1 Q345qD（δ=100mm）化學(xué)成分%

表2 Q345qD（δ=100mm）力學(xué)性能

2.2 焊接坡口設(shè)計(jì)

焊縫坡口形式對(duì)焊接質(zhì)量和焊接變形控制影響較大，相同的坡口形式，坡口角度過(guò)大或過(guò)小均會(huì)對(duì)焊縫產(chǎn)生不利影響。坡口角度太小，易形成窄而深的焊縫，焊縫成形系數(shù)小[1]，焊縫中心易形成粗大的柱狀晶，從而產(chǎn)生區(qū)域偏析，增大熱裂紋出現(xiàn)機(jī)率；坡口角度過(guò)大，焊縫金屬填充量增加，焊后殘余應(yīng)力也相應(yīng)增加。

圖1 港珠澳大橋江海直達(dá)航道橋鋼索塔

經(jīng)過(guò)多次比選和優(yōu)化后，采用機(jī)械加工法將焊評(píng)試板加工成帶鈍邊的雙面不對(duì)稱U型坡口，有利于減小焊接工作量。

2.3 焊材選用及焊評(píng)試板焊接

根據(jù)以往工程實(shí)際應(yīng)用并按等強(qiáng)匹配原則[2]，選用直徑φ5.0mm的埋弧焊絲H10Mn2+焊劑SJ101q。焊前清磨焊評(píng)試板待焊區(qū)域，去除底漆、油污、鐵銹及其他雜物，并采用陶質(zhì)電加熱片將試板預(yù)熱至100±20℃。焊接工藝評(píng)定試板焊接過(guò)程為：先焊深坡口側(cè)，淺坡口側(cè)清根并打磨后再焊接，深、淺坡口側(cè)交替焊接，焊縫層（道）間溫度120～180℃，其他焊接參數(shù)如表3所示。

2.4 焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)結(jié)果

焊后48 h后對(duì)焊接工藝評(píng)定試板進(jìn)行焊縫外觀檢測(cè)和超聲波BⅠ級(jí)探傷[3-4]。檢測(cè)合格后，按照國(guó)標(biāo)GB 226、GB/T 2649～2654對(duì)試板進(jìn)行焊接接頭宏觀斷面酸蝕（見(jiàn)圖2），焊接接頭拉伸，焊縫金屬拉伸、沖擊試驗(yàn)，硬度試驗(yàn)，焊接接頭彎曲等試驗(yàn)。焊接接頭力學(xué)性能如表4所示。

圖2 焊接工藝評(píng)定試板宏觀金相

3 承壓板焊接工藝

鋼索塔Z0節(jié)段承壓板由4塊規(guī)格為150mm×2657mm×10628mm板拼接而成，如圖3所示，重約127 t。承壓板拼接焊縫坡口示意如圖4所示，深坡口側(cè)深度79mm，淺坡口側(cè)深度65mm，鈍邊6mm。

表3 焊接工藝評(píng)定參數(shù)

表4 焊接接頭力學(xué)性能

圖3 Z0節(jié)段承壓板結(jié)構(gòu)

圖4 承壓板坡口形式

3.1 焊前準(zhǔn)備工作

在專用平胎架上進(jìn)行無(wú)“馬”裝配，通過(guò)千斤頂和配重來(lái)調(diào)整裝配精度，錯(cuò)邊量小于等于1mm。焊縫兩端安裝引、熄弧板，并打磨清理坡口及兩側(cè)待焊區(qū)域不少于30mm范圍，采用陶質(zhì)電加熱片加熱至100±20℃。

3.2 焊接過(guò)程控制

①根據(jù)焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行連續(xù)焊接；②采用點(diǎn)溫計(jì)測(cè)量層間溫度，避免層（道）間溫度過(guò)高；③采用石棉布進(jìn)行保溫緩冷；④通過(guò)拉線和直尺測(cè)量焊接角變形量，確定翻面焊接時(shí)機(jī)。

S*CY01與S*CY02拼板焊接（簡(jiǎn)稱“雙拼”）共進(jìn)行5次翻面，其焊接過(guò)程為：①先焊深坡口側(cè)，焊完第7道后（焊后深度h=59mm，S*CY01下表面板邊距胎架96mm）進(jìn)行第1次翻面；②對(duì)淺坡口側(cè)進(jìn)行清根、打磨和預(yù)熱；③淺坡口側(cè)焊完第7道后（焊后深度h=59mm，S*CY01下表面板邊距胎架78mm），進(jìn)行第2次翻面；④待深坡口側(cè)再焊接完17道后（焊后深度h=28mm，S*CY01下表面板邊距胎架11～13mm），進(jìn)行第3次翻面；⑤淺坡口側(cè)再焊接28道后（焊后深度h=10mm，S*CY01下表面板邊距胎架3～5mm），進(jìn)行第4次翻面；⑥再焊接深坡口側(cè)，完成25道焊道后（深坡口側(cè)坡口填充完畢）進(jìn)行第5次翻面；⑦將淺坡口側(cè)焊縫焊至與母材平齊。

S*CY01/02與S*CY03/04拼板焊接（簡(jiǎn)稱“大拼”）共進(jìn)行3次翻面，其焊接過(guò)程如下：①先焊深坡口側(cè)，焊完第13道后（焊后坡口深度h=45～46mm），進(jìn)行翻面；②對(duì)淺坡口側(cè)進(jìn)行清根、打磨和預(yù)熱，焊完第14道后（坡口深度h=41～44mm）再次進(jìn)行翻面，將深坡口側(cè)焊接至于母材平齊；③進(jìn)行第3次翻面，完成淺坡口側(cè)的焊縫。

由雙拼和大拼焊接過(guò)程可知，鋼板自重不同，翻面時(shí)機(jī)也不同。雙拼時(shí)，深坡口側(cè)焊完7道后便出現(xiàn)較大的焊接角變形；大拼時(shí)，深坡口側(cè)在焊完10道后，焊接角變形依然不明顯，但是11道完成后焊接內(nèi)應(yīng)力大于鋼板自重，出現(xiàn)了明顯焊接角變形，而焊完第13道后，焊接角變形較大，不宜繼續(xù)施焊，需翻面焊接。

圖5 焊前預(yù)熱

圖6 拼板翻面

3.3 焊后保溫及平面度測(cè)量

焊后采用石棉布進(jìn)行保溫緩冷，防止焊縫冷卻過(guò)快產(chǎn)生脆硬組織。

采用水準(zhǔn)儀檢測(cè)平面度，承壓板焊后整體平面度控制較理想，測(cè)量監(jiān)控點(diǎn)標(biāo)高差小于10mm，滿足港珠澳大橋精度要求。

3.4 超聲波探傷

按照《鐵路鋼橋制造規(guī)范》TB10212-2009對(duì)接焊縫無(wú)損檢驗(yàn)要求對(duì)焊縫全長(zhǎng)進(jìn)行超聲波BⅠ級(jí)檢測(cè)，并對(duì)焊縫兩端及中間250mm區(qū)域進(jìn)行超聲波CⅠ級(jí)檢測(cè)（代替X射線檢測(cè)）。經(jīng)上述兩類超聲波無(wú)損檢測(cè)，承壓板對(duì)接焊縫無(wú)損檢測(cè)一次合格率為100%。

4 結(jié)論

（1）焊接工藝評(píng)定焊接接頭力學(xué)性能滿足相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)及技術(shù)規(guī)范要求，焊接工藝評(píng)定中的焊接試驗(yàn)參數(shù)可用于指導(dǎo)實(shí)際焊接操作。

（2）受鋼板本身自重影響，厚板焊接時(shí)產(chǎn)生焊接角變形的快慢也不同，翻面時(shí)機(jī)和次數(shù)應(yīng)考慮鋼板自重的影響，一旦錯(cuò)過(guò)最佳翻面時(shí)機(jī)，會(huì)出現(xiàn)焊接變形過(guò)大導(dǎo)致焊縫背側(cè)開(kāi)裂，或出現(xiàn)不可抵消的角變形；而過(guò)早翻面，則會(huì)增加翻面次數(shù)，增加制作風(fēng)險(xiǎn)和成本。

（3）厚板無(wú)“馬”裝焊應(yīng)加強(qiáng)焊接過(guò)程控制，通過(guò)焊前預(yù)熱、控制焊接線能量、監(jiān)測(cè)層間溫度和焊接角變形、及時(shí)翻面焊接、焊后保溫緩冷等措施可有效控制焊接變形。

參考文獻(xiàn)：

[1]裴雪峰，張劍鋒，車平.泰州橋鋼塔厚板焊接技術(shù)[J].電焊機(jī)，2011，41（8）：56-61.

[2]張子榮，時(shí)煒.簡(jiǎn)明焊接材料選用手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

[3]中華人民共和國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).鐵路鋼橋制造規(guī)范[S].TB10212-2009.

[4]中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn).鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范[S].GB 50661-2011.