钢索塔斜拉桥主桥钢结构焊接工艺研究_郭利明.pdf

DOI:10 3969/j issn 2095 509X 2023 06 025钢索塔斜拉桥主桥钢结构焊接工艺研究郭利明，苏永贵(中交第四公路工程局有限公司，北京100022)摘要:提出了改进的钢索塔斜拉桥主桥钢结构焊接工艺。采用 CO2气体保护焊焊接钢箱梁和钢板，当钢结构温度低于 0 时预热母材，使其温度保持在 22。定位焊钢结构，调整焊接焊条和焊丝位置，并实时检测焊接参数、焊接顺序、层间温度。采用超声波无损检测焊缝缺陷，完成钢结构焊接。通过实验，分别测试了钢结构焊接试件的抗疲劳断裂性能、最高硬度值和不同温度下的屈服强度，结果表明，采用所提出的工艺减缓了焊件的疲劳裂纹扩展速率，提高了其硬度值和屈服强度，主桥钢结构的力学性能要优于传统焊接工艺。关键词:钢结构;焊接工艺;CO2气体保护焊;工艺参数;层间温度中图分类号:TG456文献标识码:A文章编号:2095 509X(2023)06 0130 05斜拉桥是一种由钢结构和混凝土结构组合而成的复杂建筑结构，钢结构是斜拉桥的主要承载构件。焊接工艺是钢结构加工的关键环节，对焊接工艺进行改进是确保斜拉桥钢结构焊接质量和效率的重要手段。因此对钢索塔斜拉桥的钢结构焊接工艺进行改进具有重要意义1。国外建筑行业中钢结构的应用比较普遍。钢结构的加工是在传统焊接工艺的基础上，采用自动化数控设备下料切割钢板零件，利用五轴联动加工中心对钢板进行拼装焊接，用气体保护钢板背面，使钢板连接处形成良好的搭接头2。国内对建筑用钢结构的焊接以气体保护焊为主，通过控制焊接钢材的熔滴过渡温度，抑制钢结构化合物的生成，使其对工况具有较强的适应性3。本文提出了改进的钢索塔斜拉桥主桥钢结构焊接工艺，并对焊接工艺进行性能测试。1钢索塔斜拉桥主桥钢结构焊接工艺设计1 1焊前准备使用专用钢箱梁施工吊具起吊主桥钢结构，通过桥面卷扬机牵引钢结构至悬臂端待装梁段，再通过桥面吊机直接将钢斜拉索提升至桥面的放索盘上。钢结构安装误差需符合以下要求:主体结构总高度偏差为 30 30 mm，主桥平面弯曲偏差 25mm，主桥定位偏差 5 mm，地脚螺栓位移2 mm，螺栓露出长度偏差为 0 30 mm;基础上柱定位轴线1 mm，柱子底座位移3 mm，柱底标高为2 2 mm，上柱和下柱的扭转3 mm，单节柱垂直度10 mm;同一桥梁两端水平度10 mm，主次桥梁表面高差为 1 2 mm;桥梁跨中垂直度15mm;桥梁侧向弯曲10 mm;现场焊缝组对间隙为2 3 mm4。测定坡口间隙、形状、角度、钝边，检查衬板和钢结构施焊条件，保护易燃易爆炸物，选择与钢结构焊接要求相匹配的焊机和工具，精确切割钢板，使剪切面没有分层、夹渣和裂纹等缺陷5。至此完成主桥钢结构焊前准备。1 2钢索塔斜拉桥主桥钢结构焊接主桥钢结构、钢箱梁采用 CO2气体保护焊6，焊接工艺流程如图 1 所示。焊接主材选取 CO2气体保护焊焊丝以及与钢索塔斜拉桥主桥强度相符的钢结构焊材，将焊条打磨成直径为焊缝宽度的 1 5 倍，引弧板和熄弧板的厚度要大于 9 mm，宽度与长度均大于 50 mm，弧板材质要与被焊母材相同，CO2气体储存在通风良好且干燥的地方，气体纯度要大于 99 8%7。当钢结构温度低于0 时需要对母材进行预热，使其温度保持在 22。当板厚大于 25 mm 时，其预热工艺参数见表 1。收稿日期:2021 03 03作者简介:郭利明(1972)，男，高级工程师，主要研究方向为桥梁、隧道施工技术，钢结构桥梁施工技术等，fenba9647762665163 com0312023 年 6 月机械设计与制造工程Jun 2023第 52 卷 第 6 期Machine Design and Manufacturing EngineeringVol 52 No 6图 1钢结构焊接工艺流程表 1钢结构预热工艺参数板厚/mmCO2气体保护焊/电弧焊/25 3010015030 6010015060 80120150 16080 100140160 180100 120180200 220对钢结构进行预热，预热范围为焊缝中心两侧各大于 100 mm 宽的地方，且 T 型接头的预热范围也要大于 3 倍板厚值。在焊接坡口 100 mm 处通过表面温度计测试，当预热温度达到表 1 所示预定值后，保持恒温 30 min 左右8。在预热完成后，对钢结构进行定位焊。若定位焊缝有裂缝或气孔，清除后重焊9。设置焊点厚度为焊缝厚度的 2/3，间距控制在 500 600 mm，焊角长度控制在 30 100mm，焊条直径不能大于焊缝尺寸的 1/2。定位焊电流 I 的经验公式为:I=10Q2(1)式中:Q 为焊条直径。定位焊完毕后，使焊条和焊丝沿焊缝方向移动，并使其横向摆动，以获得焊条直径 1 5 倍宽的焊缝。焊材规格为外径 1 2 mm10。对钢结构进行焊接，在焊缝端部 80 mm 处，进行自动焊的引弧、熄弧，局部需要自动焊的钢结构，则在焊缝端部25 mm 处进行引弧、熄弧。电弧焊和 CO2气体保护焊的焊接参数见表 2。表 2焊接参数桥梁封底层钢箱梁斜拉索(H08Mn2S iA焊丝)(H08Mn2S iA焊丝)(H08Mn2S iA焊丝)焊接电压/V29 3036 3833 36焊接电流/A155 180250 280220 240CO2气体流量/(L/min)555555焊速/(cm/s)045060065电弧极性阴阴阴焊丝伸长/mm505050焊丝直径/mm1 5151 5当钢箱梁和钢柱为箱形或 H 型时，采用对接焊接，为梁 柱时则采用栓焊连接，其焊接方向如图 2 所示。图 2钢结构焊接方向钢结构为箱形时，先焊完相邻两层再焊接对应的焊缝;钢结构为 H 型时，让对称位置的两名焊工等速对翼缘板进行焊接，当焊板焊道完成 2/3 后，对另一侧根部进行气刨清根，再对翼缘板的腹板进行焊接;钢结构为梁 柱的工字结构时，固定预穿临时螺栓，同样使用翼缘板，先焊下翼板然后焊上翼板，当焊缝冷却至常温时再对钢梁的另一端进行焊接11。针对整个钢结构采用左焊法，使焊条或焊丝偏向左侧，并与水平方向呈 60左右，焊件的每层焊缝厚度控制在 4 5 mm，层间接头错开 30 mm 以上12。及时清理焊道表面，用电加热器加热焊缝层间，通过专用测温仪器测量，保持其温度在130 150 13。1312023 年第 6 期郭利明:钢索塔斜拉桥主桥钢结构焊接工艺研究1 3钢索塔斜拉桥主桥钢结构焊后加工主桥钢结构焊接完成后，通过切割去除引出板，并清理焊缝表面的熔渣。对焊后的钢结构进行后热处理，测温点选取直接加温处，使焊接后钢结构焊缝以及周围温度达到 220 250，当焊缝表面、接头区域、背部均达到该温度后，使用多层石棉布紧裹焊缝进行保温，实现钢结构构件的消氢处理，控制保温时间如下:板厚小于 25 mm 时，保温时间为 1 0 h;板厚为 25 50 mm 时，保温时间为1 5 h;板厚为50 75 mm 时，保温时间为2 0 h;板厚为 75 100 mm 时，保温时间为 2 5 h14。采用磁粉探伤仪探测焊缝的外观、尺寸，检测焊缝是否存在咬边、接头不良、根部收缩、裂纹和表面气孔等缺陷，采用砂磨、切除、刨、碳弧气刨等机械方式，去除焊接缺陷。然后进行补焊，使焊缝达到核检标准，但同一位置的焊缝返修不能超过两次15。最后对焊缝进行超声波无损检测，确保焊缝内部没有缺陷后，在距焊缝 50 mm 处，打上焊工标号钢印，完成主桥钢结构的焊后加工。至此完成钢索塔斜拉桥主桥钢结构焊接工艺设计。2实验论证分析将本文设计工艺记为实验 A 组，文献 2、文献 3 中的传统钢索塔斜拉桥主桥钢结构焊接工艺分别记为实验 B 组和实验 C 组，比较采用三种焊接工艺焊接的试件的力学性能。2 1实验准备对钢材进行焊接性能实验，主桥的钢板材料为Q345B，钢筋为 HB400 级，钢结构化学成分见表3。表 3钢板化学成分%化学成分含量化学成分含量C0200S1200 1600Mn0560Al0 040Si0030V0030 0120P0 015 0050Nb0050 0200Ti0 150 0 200Als0 700验证 Q345B 钢材的力学性能，得到其屈服强度为 524 583 MPa，纵向屈服强度较小;延伸率为21 5%26 0%，横向延伸率小于纵向延伸率;抗拉强度为 661 729 MPa，纵向抗拉强度小于横向抗拉强度;屈强比为 0 72 0 80。对 Q345B 钢进行冲击检验，结果表明，在规定的实验温度范围内，钢材冲击功在 110 J 以上，可知 Q345B 钢具有良好的低温冲击韧性，能够作为钢索塔斜拉桥主桥的焊接母材。钢板厚度为 25 mm，使用 SJ101q 焊剂，分别采用上述三种焊接工艺焊接钢板，焊后室温冷却40 h，得到实验试件。2 2疲劳裂纹扩展速率实验测试钢结构焊接试件的抗疲劳断裂性能。使用 0 2 mm 钼丝在试件的中间位置切割 1 5 mm 深的缺口，实验装备采用低温环境箱，在箱体上、下壁留有可以使内窥镜镜头伸入的小孔。环境箱的均热带长度为 100 mm，工作温度为 75 300，温度波动 2，温度梯度 5。将氮气喷入环境箱，形成低温环境，在箱内装有热电偶，实时采集温度并传送到控制面板，通过控制面板输入温度控制指令。将内窥镜镜头伸入环境箱内并由光导纤维固定，观察焊接试件的裂纹。同时把镜头接在摄像机上拍摄焊接试件的裂纹图像，拍摄的三组试验试件的裂纹图像如图 3 所示。图 3试件裂纹图像将试件的线切割长度和预制疲劳裂纹之和控制在 0 45 0 70 倍试件宽度之内。在焊接试件上采用等幅加载，其载荷的加载方式为正弦波形式，加载频率为 0 3 Hz，下限应力比固定为 0 15，平均荷载为 26 8 kN，荷载幅值为 24 35 kN。记录疲劳荷载的平均值，将其作为荷载循环加载的起点，不断作用于焊接试件，当裂纹扩展到达设定长度时，记录整个疲劳过程试件裂纹的扩展频率、载荷大小、次数、加载时间等。计算试件的疲劳裂纹扩展速率 A，公式为:A=C(1 )K (2)式中:C 为焊接试件的材料常数;K 为焊接试件厚度下的断裂韧度;为常规疲劳裂纹扩展速率的脉动循环;为应力强度因子范围。三组试件在不同循环荷载次数下的裂纹扩展速率对比结果如图2312023 年第 52 卷机械设计与制造工程4 所示。图 4疲劳裂纹扩展速率对比结果由图可知，A 组焊接试件的疲劳裂纹扩展速率平均值为 2 56 105mm/次，B 组和 C 组的平均扩展速率分别为 2 87 105mm/次和 3 03 105mm/次。相比 B 组和 C 组，A 组疲劳裂纹扩展速率分别低 10 80%和 15 51%。2 3硬度测试实验测试焊接试件的最高硬度值。试件的硬度检测位置如图 5 所示。图 5试件和硬度检测位置示意图每组试件各取 15 个点进行硬度检测，取平均值，则不同温度下的硬度检测结果对比如图 6 所示。由图可知，A 组焊接试件的平均硬度值为278HV10，B 组 和 C 组 的 平 均 硬 度 值 分 别 为259HV10和250HV10。相比 B 组和 C 组，A 组试件硬度值分别高 7 34%和 11 20%。图 6硬度对比结果2 4屈服强度测试实验在硬度测试实验的基础上，检测试件不同温度下的屈服强度，实验结果对比如图 7 所示。图 7屈服强度对比结果由图可知，A 组焊接试件的平均屈服强度为794 MPa，B 组和 C 组的平均屈服强度分别为 739MPa 和 721 MPa。相比 B 组和 C 组，A 组试件屈服强度分别高 7 44%和 10 12%。3结束语采用本文设计的工艺对桥梁钢结构进行焊接，降低了焊件的疲劳裂纹扩展速率，保证了钢结构焊接处的抗疲劳性能，同时提高了焊件的硬度值和屈服强度，使其力学性能满足标准要求，且桥梁钢结构可焊性要优于两种传统焊接工艺。但本文研究仍存在一些不足，主要是只针对钢索塔斜拉桥主桥的常用钢材进行了实验，在今后的研究中，将对其他复杂类别的钢材进行进一步研究，以提高焊接工艺普适性。3312023 年第 6 期郭利明:钢索塔斜拉桥主桥钢结构焊接工艺研究参考文献:1陈欣，吉伯海，李心诚，等 大跨悬索桥钢箱梁焊缝重要性分级方法研究J 安徽理工大学学报(自然科学版)，2019，39(5):81 86 2YU Junquan，ZHAO Guoqun Interfacial structure and bondingmechanism of weld seams during porthole die extrusion of alumi-num alloy profilesJ Materials Characterization，2018，138(13):56 66 3张明启，王虎，李文强，等 大跨度弧型桁梁桥钢结构加工关键技术 J 山西建筑，2020，46(16):144 146 4程茂欣 大跨度城市景观桥钢箱梁焊接技术J 低碳世界，2020，10(3):124 126 5程茂欣 梦海前湾河桥封闭式钢箱梁焊接技术J 低碳世界，2020，10(1):60 61 6苏从辉，章欣，云瑞俊 池州长江公路大桥北边跨钢 混结合段施工关键技术J 世界桥梁，2020，48(1):22 25 7胡进科，彭勃，姚琳 南洞庭特大桥主桥无索区钢箱梁安装施工技术 J 湖南交通科技，2019，45(4):122 125，147 8陈杰，陈方尧，张欢，等 阜阳颍柳路泉河桥主桥钢箱梁安装施工分析 J 建筑钢结构进展，2020，22(5):133 140 9卫星，揭志羽，廖晓璇，等 钢结构桥梁焊接节点腐蚀疲劳研究进展 J 钢结构，2019，34(1):108 112 10 李华冰，翟伯超 官厅水库特大桥耐候钢关键焊接技术J北方建筑，2018，3(5):57 60 11 刘小敏，杨萌，梁斌 大弧度曲线型独塔斜拉桥钢塔柱节段制作拼装技术J 河南科技大学学报(自然科学版)，2019，40(3):60 65，8 12 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weld defects，and completes the steel structure welding The fatigue fracture resistance，the maximumhardness value and the yield strength at different temperatures of the welded steel structure specimens are testedThe results show that the proposed process slows down the fatigue crack growth rate of the welding process，im-proves its hardness value and yield strength，and the mechanical properties of the main bridge steel structure arebetter than the traditional welding processKey words:steel structure;welding process;CO2gas shielded welding;process parameters;interlayer tempera-ture4312023 年第 52 卷机械设计与制造工程