欧洲标准钢桥焊接工艺研究.pdf

2023年 第9期 热加工59焊接与切割W e l d i n g&C u t t i n g欧洲标准钢桥焊接工艺研究常国光，刘志新，高建忠，徐向军中铁山桥集团有限公司 河北秦皇岛 066205摘要：介绍了典型欧洲公路斜拉钢桥的结构特点、材料，以及制造遵循的欧洲标准和德国标准，通过焊接试验确定了焊接工艺，采用严格的焊接过程控制措施有效地保证了德国公路斜拉桥的建造质量，可为以后类似欧洲桥梁工程提供参考。关键词：公路钢桥；欧洲标准；德国标准；焊接工艺1 序言德国某座跨越莱茵河的公路斜拉桥，跨度分布为200.7m280m208m688.7m，桥宽34.15m，主跨为正交异形板钢桥面，边跨为钢混结合桥面。单座桥钢结构重约1.36万t。两侧主梁为不规则箱形截面，边跨横纵梁工形截面（上翼缘焊接圆柱头焊钉），中跨横纵梁T形截面，钢锚箱设置在边箱上。莱茵河桥梁段如图1所示。该桥按照德国联邦公路研究所标准ZTV-ING附加的工程技术条款和指令和欧洲标准EN 1090-2：2018钢结构和铝结构的施工第二部分：钢结构的施工技术要求1进行加工制造。2 试验准备2.1 母材全桥采用S355K2N钢板，采购条件须符合欧洲标准EN 10025-2：2004结构钢的热轧产品第二部分：非合金结构钢的技术供货条件和德国铁路标准DBS 918002：2002铁路桥用热轧结构钢产品交货技术条件。试验用钢板化学成分和力学性能分别见表1、表2。2.2 焊接材料按ZTV-ING 标准要求，该桥所选用焊接材料必须具有CE（欧洲）和DB（德国铁路）两个认证，气体保护焊采用JQ.MG50-6（1.2mm）实芯焊丝和JQ.YJ501-1（1.2mm）药芯焊丝，埋弧焊丝采用M-12K（4.8mm）焊丝Superflux 800T焊剂。化学成分和力学性能见表3。表1试验用钢板化学成分板厚/mm化学成分（质量分数，%）CEV120.150.341.480.0140.0020.0310.0070.0280.0120.0340.0330.0150.41500.150.341.500.0160.0010.0320.0080.0220.0130.0360.0350.0150.41表2试验用钢板力学性能板厚/mm屈服强度/MPa抗拉强度/MPa断后伸长率（%）弯曲 18020冲击吸收能量/J1245957529.5d2a，完好185、152、2125044855828.5d2a，完好228、240、206图1梁段示意2023年 第9期 热加工60焊接与切割W e l d i n g&C u t t i n g3 焊接工艺评定试验3.1 典型焊缝焊接工艺评定试验经过对全桥结构及板厚的归纳总结，按照EN ISO 15614-1：2004A2：2012金属材料焊接工艺规程及评定-焊接工艺评定试验2或EN ISO 15613：2004金属材料焊接工艺规程及评定-基于预生产焊接试验的评定3，选取36组焊接工艺评定试验，其中包括11组对接焊缝、23组角焊缝、2组圆柱头焊钉，试验结果完全符合EN ISO 15614-1：2004A2：2012金属材料焊接工艺规程及评定-焊接工艺评定试验或EN ISO 15613：2004金属材料焊接工艺规程及评定-基于预生产焊接试验的评定要求。3.2 特殊焊缝焊接工艺评定试验与其他欧洲标准桥梁钢结构项目不同，除了典型焊缝焊接工艺评定试验外，监理还根据德国焊接协会标准DVS 1702：2009设计结构工程的工艺评定4的要求，进行了两组气体保护焊与埋弧焊组合焊接工艺对接焊缝的焊接工艺评定试验和1组十字接头焊缝的焊接工艺评定试验。试板板厚组合、坡口形式、熔敷顺序及焊接热输入等见表4。根据德国焊接协会标准DVS 1702：2009设计结构工程的工艺评定要求，对接焊缝进行接头拉伸、弯曲、低温冲击、断面酸蚀和接头硬度试验。表3焊接材料的化学成分和力学性能焊接材料牌号化学成分（质量分数，%）力学性能CSiMnPS屈服强度/MPa抗拉强度/MPa断后伸长率（%）20冲击吸收能量/J埋弧焊丝M-12K0.100.241.050.0110.00949256328.9118、122、115埋弧焊剂Superflux800T0.0110.007气体保护实芯焊丝JQ.MG50-60.0830.861.470.0150.01344954929.583、82、87气体保护药芯焊丝JQ.YJ501-10.0460.381.480.0080.00547654828.0132、121、117表4焊接工艺评定试验项目WPQR编号焊接方法坡口形式熔敷顺序焊接材料机械化程度焊接位置热输入/（kJ/mm）WPQR-32135121JQ.MG50-6（1.2mm）M-12K（4.8mm）+Superflux800T全机械化PA0.763.84WPQR-33135121JQ.MG50-6（1.2mm）M-12K（4.8mm）+Superflux800T半机械化PA0.453.02WPQR-34136JQ.YJ501-1（1.4mm）全自动化PA1.542023年 第9期 热加工61焊接与切割W e l d i n g&C u t t i n g十字接头进行接头拉伸、低温冲击、根弯、断面酸蚀和接头硬度试验。焊接评定标准及评定结果见表5，宏观接头断面如图2所示，十字接头角焊缝拉伸试件如图3所示，十字接头角焊缝根裂试件如图4所示。图3十字接头角焊缝拉伸试件 a）WPQR-32 b）WPQR-33 c）WPQR-34 图2接头宏观断面图4十字接头角焊缝根裂试件表5接头力学性能试验结果编号接头拉伸试验180接头弯曲试验宏观断面20冲击吸收能量/J最高硬度HV10抗拉强度/MPa断口位置焊缝金属热影响区RH-WPQR-32569588母材4个侧弯，合格合格88、106、8762、150、56230RH-WPQR-33599598母材4个侧弯，合格合格137、138、134200、162、204270RH-WPQR-34593594593母材1个根弯，合格52、58、64284标准470无裂纹40403804 焊接过程控制4.1 焊接计划焊接计划的内容包括焊接工艺种类、焊工资质、钢材级别、焊接材料牌号、焊接材料保存及使用、坡口制备、预热要求、焊接顺序、焊缝检测、钢板缺陷或焊缝缺陷的焊接返修等。4.2 焊缝检测要求1）根据设计图样和标准要求，编制了详细的NDT（无损检测）图样，确保现场管理人员、焊工和焊接检测人员能准确理解焊接质量要求。2）焊缝等级要求符合EN ISO 5817：2003焊接-钢、镍、钛及其合金的熔化焊接头（能量束焊除外）缺欠质量等级 B级要求。除外观检查外，焊缝无损检测根据EN 1090-2：2011钢结构和铝结构的施工-第2部分：钢结构的施工技术要求要求在焊接24h后进行。磁粉检测满足EN ISO 23278：2015焊缝的无损检测磁粉检测验收等级 2X级要求；超声波检测满足EN ISO 11666：2010焊缝的无损2023年 第9期 热加工62焊接与切割W e l d i n g&C u t t i n g检测超声波检测验收等级2级要求。3）对接焊缝去除引弧板、引出板后，两端特别是焊缝的横截面需要做磁粉检测，以便及时发现并清除缺陷。4）根据业主要求，受拉的横向对接焊缝长度的50%进行超声波检测；U肋与板单元间部分熔透角焊缝长度的20%进行磁粉检测；锚箱位置的所有焊缝100%进行无损检测，对接焊缝进行超声波检测，角焊缝进行磁粉检测。5）临时连接件去除部位、钢板表面或切割边缺陷返修焊部位、电弧擦伤部位等打磨后应进行磁粉检测。4.3 预热温度选择标准EN 1011-2：2001焊接金属材料的推荐-第2部分：铁素体钢的弧焊中规定了预热温度TP的计算理论依据，主要与碳当量CET、钢板板厚d、焊接材料的扩散氢含量HD，以及热输入Q有关。预热温度可以通过以下公式5计算TP697CET160tanh（d/35）62HD0.35（53CET32）Q328EN 1090-2：2011钢结构和铝结构的施工-第2部分：钢结构的施工技术要求中规定钢板焊前的温度要5，否则应适当预热，EN 1993-1-10：2005钢结构设计-第1-10部分：材料韧性和全厚度特性中规定预热温度最低为100，可有效提高钢板的抗层状撕裂能力6。根据采购钢板的CET值、焊接材料的HD值，以及EN 1993-1-10：2005钢结构设计-第1-10部分：材料韧性和全厚度特性5的规定，制定了焊接预热要求：钢板板厚30mm时，应保证钢板施焊前的温度5；钢板板厚30mm时，预热温度为100120。由于钢锚箱是全桥最重要结构，因此设计要求钢锚箱所有焊缝焊前预热温度为100150。整拼场地在广东省中山市，很多时候湿度80%，针对拼装场地环境湿度大的问题，采取了对所有焊缝进行预热6080的工艺，以确保焊接质量。4.4 焊接接头细节问题（1）对接焊缝间隙（b）超差规定1）当4mmb9mm，可以直接根据对应的WPS（焊接工艺指导书）进行焊接。2）当9mmb15mm时，焊接前需通知监理，如果没有监理在现场，要对相关焊缝做记录，之后将记录转交监理，并对此类对接焊缝进行100%UT检测。3）当b15mm时，根据相应的WPS对坡口进行堆焊处理，使b9mm后按对应的WPS进行焊接。（2）角焊缝组装间隙规定 角焊缝组装间隙要2mm，如果组装间隙超标，可采用如下处理措施。1）当组装间隙2mmb3mm时，焊缝喉厚要在原喉厚基础上加大2mm。2）当组装间隙3mmb6mm时，焊缝类型改为单面坡口熔透角焊缝（陶瓷衬垫），处理方式如图5所示。当组装间隙6mmb10mm时，焊缝类型改为单面坡口熔透角焊缝（陶瓷衬垫），焊后进行100%超声波检测，处理方式如图6所示。图5焊缝处理方式（组装间隙3mmb6mm）图6焊缝处理方式（组装间隙6mmb10mm）2023年 第9期 热加工63焊接与切割W e l d i n g&C u t t i n g3）所有过焊孔处均需焊接包角。4.5 火焰矫正火焰矫正温度650，矫正过程中采用远红外测温仪随时监控，严禁向高温部位泼水，避免因淬硬组织出现而影响钢板性能。5 结束语通过德国跨越莱茵河公路斜拉桥的建造，熟悉了欧洲标准和德国标准对桥梁钢结构焊接技术要求，提高了我公司桥梁钢结构整体建造水平，为海外项目的竞标打下了坚实基础。参考文献：1 CENExecution of steel structures and aluminium structures Part 2：Technical requirements for the execution of steel structures：EN 1090-2：2018SUK：CEN，20112 CENSpecification and qualification of welding procedure for metallic materials part 1：Arc and gas welding of steels and arc welding of nickel alloys：EN ISO 15614-1：2004A2：2012SUK：CEN，2012 3 CENSpecification and qualification of welding procedure for metallic materials Qualification based on pre-production welding test：EN ISO 15613：2004S UK：CEN，20044 DVSVerfahrenspruefungen Im Konstruktiven Ingenieurbau：DVS 1702：2009S GER：DVS2009 5 CENDesign of steel structures Part 1-10：Material toughness and through-thickness properties：EN 1993-1-10：2005SUK：CEN，2005.6 CENDesign of steel structures Part 1-10：Material toughness and through-thickness properties：EN 1993-1-10：2005S UK：CEN，2005 202305161）在铝-镍激光焊接接头中，当激光功率较低或焊接速度较快时，铝-镍接头界面的母材熔化量较少，同时铝-镍接头的熔宽及变形较小；当激光功率升高或焊接速度降低时，母材熔化量增大，焊缝的熔宽增加，铝侧焊缝柱状晶组织区域增大，镍侧热影响区晶粒增大；当激光功率为2.6kW时，变形增大，焊缝有较大的塌陷，部分出现焊漏的现象。2）铝1060-镍200焊接接头的组织结构为Al、Ni及Ni3Al金属化合物。参考文献：1 周学凯，米高阳，刘森，等304不锈钢/T2紫铜超薄板激光搭接焊J中国激光，2017，44（8）：130-138.2 李春玲，樊丁，于晓全，等铝/镀锌钢电弧辅助激光涂粉填丝熔钎焊方法J中国激光，2016，43（7）：131-138.3 王欣，焦俊科，张文武，等.表面状态对激光焊接7075铝合金组织和性能的影响：第四届激光先进制造技术应用研讨会论文集C北京：中国光学学会激光加工专业委员会，2015.4 吴胜川，朱宗涛铝合金的激光焊接及性能评价M北京：国防工业出版社，2014.5 续敏，李向荣，杨化林5052铝合金激光焊接接头组织和性能研究J热加工工艺，2017，46（1）：236-237，242.6 范哲超，陆明，丰洪微PLC控制激光焊接2524铝合金接头的组织研究J热加工工艺，2017，46（5）：63-67.7 张亦弛，赵占西，周翔，等5052铝合金脉冲激光焊接温度场模拟J热加工工艺，2017，46（3）：242-245.20230405（上接第58页）