王立業(yè)，韻德平

（太原鐵建公司鋼結(jié)構(gòu)分公司，山西 太原 030003）

1 工程概況

京滬高鐵柳泉鎮(zhèn)后八丁特大橋96 m下承式鋼管混凝土系桿拱鋼拱肋采用懸鏈線線型，梁全長(zhǎng)100 m，計(jì)算跨長(zhǎng)為96 m，矢跨比為f/l=1/5，拱肋平面內(nèi)矢高19.2 m，拱肋橫截面采用啞鈴形鋼管混凝土截面，截面高度h=3.0 m，沿程等高布置，鋼管直徑為1 000 mm，由板厚16 mm的鋼板卷制而成，每根拱肋的兩鋼管之間用δ=16 mm的腹板連接，主材材質(zhì)均為Q345qD。兩拱肋之間共設(shè)5道橫撐，拱頂處設(shè)X型撐，拱頂至兩拱腳間設(shè)4道K型橫撐。橫撐由φ500，φ400和φ360mm的圓形鋼管組成，橫撐管的接長(zhǎng)為對(duì)接焊縫，橫撐管節(jié)的焊接主要是縱向焊縫和環(huán)向焊縫的焊接。

2 橫撐管焊接主要施工特點(diǎn)和難點(diǎn)

橫撐管由幾個(gè)筒節(jié)焊接成型，焊接方法采用單面焊雙面成型焊接，焊接直接影響整橋線形和總體質(zhì)量的控制，這就要求必須嚴(yán)格制定合理的焊接工藝及其實(shí)施細(xì)則，采取有效措施，高標(biāo)準(zhǔn)地保證焊接質(zhì)量。

該橋橫撐管焊接施工特點(diǎn)和難點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾方面：①焊縫質(zhì)量要求高：焊縫全部為全熔透I級(jí)焊縫，質(zhì)量要求高。②焊接變形控制難度大：橫撐管由多個(gè)筒節(jié)焊接組成，對(duì)接環(huán)焊縫多，熔敷金屬填充量大，在直徑方向的收縮量大，從而導(dǎo)致焊接變形難以控制。③單面焊雙面成型操作難度大，成型質(zhì)量差。

3 焊接工藝對(duì)比分析

根據(jù)橫撐管設(shè)計(jì)要求筒節(jié)對(duì)接縱向焊縫和環(huán)向焊縫為全熔透，焊接方法采用單面焊雙面成型焊接，對(duì)此擬定了3組不同焊接方法、坡口形式的焊接工藝進(jìn)行焊接工藝評(píng)定。

3.1 主要焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)

3.1.1 焊接材料及設(shè)備選擇

焊接材料的選用依據(jù)是母材化學(xué)成分及強(qiáng)度等級(jí)，同時(shí)必須考慮板厚及坡口形式，一般中厚板Q345qD手弧焊焊接材料選擇為E5016，焊接設(shè)備選擇BX1-500，CO2氣體保護(hù)焊焊接材料為ER50-6，焊接設(shè)備為YD-500KR。

3.1.2 試板坡口形式及焊接方法

對(duì)于單面焊雙面成型焊接，常用坡口形式為V形坡口，采用不同焊接方法進(jìn)行試驗(yàn)，具體方法有：①V形坡口，CO2氣保焊打底、填充、蓋面；②V形坡口，手弧焊打底、填充、蓋面；③V形坡口，CO2氣保焊打底焊接，填充和蓋面采用手弧焊接。

3.1.3 焊接參數(shù)的選擇

對(duì)3組試件制作多個(gè)試板，通過(guò)多次試驗(yàn)對(duì)每組試件得出一組可靠的焊接工藝參數(shù)，3組試件焊接參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 3組試件焊接參數(shù)

3.2 焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.2.1 試驗(yàn)結(jié)果

3組試件焊縫外觀檢驗(yàn)合格后，在焊后24 h進(jìn)行X射線探傷檢查，焊縫內(nèi)部質(zhì)量達(dá)到I級(jí)。然后分別進(jìn)行了彎曲、拉伸、-20℃低溫沖擊功試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表2和表3。

表2 拉伸和彎曲試驗(yàn)結(jié)果

表3 -20℃時(shí)低溫沖擊功試驗(yàn)結(jié)果

3.2.2 結(jié)果分析

（1）焊縫強(qiáng)度：由表2的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出3組試件的焊縫金屬抗拉強(qiáng)度均高于母材標(biāo)準(zhǔn)值抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值510 MPa，屈服強(qiáng)度均高于母材標(biāo)準(zhǔn)值345 MPa，滿足設(shè)計(jì)要求。

（2）焊縫塑性：由表2的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出3組試件的焊縫金屬延伸率大于標(biāo)準(zhǔn)值21%；接頭側(cè)彎試驗(yàn)結(jié)果均完好，說(shuō)明接頭塑性滿足設(shè)計(jì)要求。

（3）接頭韌性：由表3可以看出，B1和B3試件-20℃低溫沖擊功均大于標(biāo)準(zhǔn)值34 J，滿足設(shè)計(jì)要求；B2試件焊縫金屬?zèng)_擊功小于34 J，不滿足要求。

通過(guò)上述分析發(fā)現(xiàn)，B1和B3試件采用的焊接工藝符合要求，CO2氣體保護(hù)焊單面焊雙面成型焊接質(zhì)量可靠，它與手工電弧焊相比具有操作簡(jiǎn)單、熔池容易控制、背面成型優(yōu)良；焊接質(zhì)量好、焊接速度快、焊縫內(nèi)部質(zhì)量容易達(dá)到探傷的質(zhì)量要求、操作方法比較容易掌握、成本低、效率高等特點(diǎn)，因此采用CO2氣體保護(hù)焊方法。

4 單面焊雙面成型焊接的缺陷及采取的工藝措施

優(yōu)質(zhì)的單面焊雙面成型焊接的焊縫表面應(yīng)圓滑過(guò)渡至母材,表面不得有裂紋、未熔合、夾渣、氣孔、焊瘤、咬邊等缺陷，焊縫內(nèi)部同樣不允許有缺陷。但焊接過(guò)程中由于設(shè)備、材料、工藝及操作等原因,使得形成的焊縫達(dá)不到質(zhì)量要求,從而對(duì)結(jié)構(gòu)的工作質(zhì)量和使用壽命產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，為此在施工中采取以下措施：

4.1 工藝準(zhǔn)備

4.1.1 坡口形式及組裝

CO2氣體保護(hù)焊對(duì)坡口形式和組裝的要求較為嚴(yán)格。對(duì)接焊縫的坡口形式以及尺寸包括角度、鈍邊和裝配間隙。

坡口角度主要影響電弧是否能深入到焊縫的根部，使根部焊透，進(jìn)而獲得較好的焊縫成型和焊接質(zhì)量，保證電弧能夠深入到焊縫根部的前提下，應(yīng)盡量減小坡口角度。

鈍邊的大小可以直接影響根部的熔透深度，鈍邊越大，越不容易焊透。鈍邊小或無(wú)鈍邊時(shí)容易焊透，但裝配間隙大時(shí)，容易燒穿。

裝配間隙是背面焊縫成型的關(guān)鍵參數(shù)，間隙過(guò)大，容易燒穿；間隙過(guò)小，很難焊透。

單面焊雙面成型封底焊縫的熔滴過(guò)渡形式為短路過(guò)渡，通?？梢赃x用較小的鈍邊，甚至可以不留鈍邊，裝配間隙為0～2 mm，坡口角度依據(jù)GB985—1988《氣焊、手工電弧焊及氣體保護(hù)焊焊縫坡口的基本形式與尺寸》的標(biāo)準(zhǔn)要求采用V形坡口,坡口角度在60°±5°，對(duì)提高坡口精度以及焊接質(zhì)量起到了很好的作用。

4.1.2 焊接電流的選擇

焊接電流是確定熔深的主要因素，當(dāng)焊接電流太大時(shí)，則焊縫背面容易燒穿、出現(xiàn)咬邊、焊瘤，甚至產(chǎn)生嚴(yán)重的飛濺和氣孔等缺陷；過(guò)小時(shí)，容易出現(xiàn)未熔合、未焊透、夾渣和成型不好等缺陷。試驗(yàn)表明：當(dāng)選用直徑為1.2 mm焊絲時(shí),單面焊雙面成型的封底焊接電流為100～120 A較為合適。因此,焊接電流的大小直接影響焊縫的成型以及焊接缺陷的產(chǎn)生。

4.1.3 焊接電壓的選擇

在短路過(guò)渡的情況下，電弧電壓增加則弧長(zhǎng)增加。電弧電壓過(guò)低時(shí)，焊絲將插入熔池，電弧變得不穩(wěn)定。所以電弧電壓一定要選擇合適，通常焊接電流小，則電弧電壓低；電流大，則電弧電壓高。

4.1.4 焊接速度的選擇

當(dāng)焊絲直徑、焊接電流和電壓為定值時(shí)，熔深、熔寬及余高隨著焊接速度的增大而減小。如果焊接速度過(guò)快，容易使氣體的保護(hù)作用受到破壞，焊縫冷卻的速度太快，焊縫成型不好；接速度太慢，焊縫的寬度顯著增大,熔池的熱量過(guò)分集中，容易燒穿或產(chǎn)生焊瘤。

4.2 操作方法

CO2氣體保護(hù)焊是明弧操作，熔池的可見(jiàn)度好，容易掌握熔池的變化，可以直接觀察到電弧擊穿的熔孔，能夠控制熔孔的大小并且保持一致，在這方面要比手工電弧焊優(yōu)越得多。另外，焊接時(shí)接頭少，不易產(chǎn)生缺陷，但操作不當(dāng)也容易產(chǎn)生缺陷。所以，操作時(shí)應(yīng)特別引起注意。

4.2.1 干伸長(zhǎng)度的控制

干伸長(zhǎng)度對(duì)焊接過(guò)程的穩(wěn)定性影響比較大，當(dāng)干伸長(zhǎng)度越長(zhǎng)時(shí)，焊絲的電阻值增大,焊絲過(guò)熱而成段熔化，結(jié)果使焊接過(guò)程不穩(wěn)定，金屬飛濺嚴(yán)重，焊縫成形不好以及氣體對(duì)熔池的保護(hù)也不好；如果干伸長(zhǎng)度過(guò)短，則焊接電流增大，噴嘴與工件的距離縮短，焊接的視線不清楚，易造成焊道成型不良，并使得噴嘴過(guò)熱，造成飛濺物粘住或堵塞噴嘴，從而影響氣體流通。因此，干伸長(zhǎng)度一般選擇焊絲直徑的10倍為最佳干伸長(zhǎng)度。

4.2.2 打底焊焊縫接頭

打底焊時(shí)，應(yīng)盡量減少接頭，若需要接頭時(shí)，用砂輪把弧坑部位打磨成緩坡形。打磨時(shí)要注意不要破壞坡口的邊緣，造成焊管的間隙局部變寬，給打底焊帶來(lái)困難。接頭時(shí)，干伸長(zhǎng)的頂端對(duì)準(zhǔn)緩緩焊接，當(dāng)電弧燃燒到緩坡的最薄的位置時(shí)，正常擺動(dòng)。CO2氣體保護(hù)焊的焊接接頭方式與手工電弧焊的接頭完全不一樣。手工焊焊接接頭時(shí)，當(dāng)電弧燒到熔孔處時(shí)，壓低電弧，稍作停頓才能接上；而CO2氣體保護(hù)焊只需正常的焊接，用它的熔深就可以把接頭接上。

4.2.3 打底焊

打底焊是焊管焊接接頭質(zhì)量的關(guān)鍵，注意熔接時(shí)接頭的方法，才能避免焊接缺陷的產(chǎn)生。焊接電流應(yīng)依據(jù)坡口角度的大小作適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，坡口角度大時(shí)散熱面積小，電流應(yīng)調(diào)小一些，否則容易造成塌陷和反面咬邊等缺陷。打底焊時(shí)選用短齒形擺動(dòng)，由于短齒形的間距沒(méi)有掌握好，焊絲在裝配間隙中間穿出，如果在整條焊縫中有少量的焊絲穿出，是允許的；如果穿出的焊絲很多，則是不允許的。為了防止焊絲向外穿出，打底焊時(shí)，焊槍要把握平穩(wěn)，可以用兩手同時(shí)把握焊槍?zhuān)沂治兆『笜尯蟛?，食指按住啟?dòng)開(kāi)關(guān)，左手握住焊把鵝頸部分就可以了，這樣就能減少穿絲或不穿絲，保證打底焊的順利進(jìn)行和打底焊的內(nèi)部質(zhì)量。

要注意的是，在打底焊前應(yīng)對(duì)焊接規(guī)范進(jìn)行檢查，避免在施焊的過(guò)程中出現(xiàn)問(wèn)題，檢查導(dǎo)電阻的內(nèi)徑是否合適，注意噴嘴內(nèi)部的飛濺物是否堵塞噴嘴。停弧或打底焊結(jié)束時(shí)，焊槍不要馬上離開(kāi)弧坑，以防止產(chǎn)生縮孔及氣孔。

5 焊接方法的效果驗(yàn)證

京滬高鐵柳泉鎮(zhèn)后八丁特大橋鋼管拱橋橫撐管采用CO2氣保焊單面焊雙面成型焊接后收到了良好的效果，主要表現(xiàn)在：

（1）大大提高了生產(chǎn)效率，縮短了工期。CO2氣保焊采用細(xì)絲焊接，較大電流，電流密度大，電弧熱量集中，熔化系數(shù)比焊條大1~3倍，可提高功效1~2倍。

（2）CO2單面焊雙面成型焊接工藝焊縫質(zhì)量好、焊接速度快、節(jié)省了焊接材料而且焊縫內(nèi)部的質(zhì)量容易達(dá)到探傷質(zhì)量的要求。

（3）通過(guò)Q345qD橋梁鋼單面焊雙面成型焊接工藝評(píng)定，制定的焊接工藝應(yīng)用于生產(chǎn)，收到了良好的經(jīng)濟(jì)效益，為以后焊接小直徑容器奠定了基礎(chǔ)。