波形钢腹板梁全熔透焊缝高效焊接工艺应用探讨.pdf

交通世界TRANSPOWORLD0 引言波形钢腹板梁桥因自重轻、力学性能好，在我国公路桥梁建设中应用日益广泛。波形钢腹板梁桥的连接主要通过焊接实现，焊缝质量的好坏直接关系着结构质量与安全。焊接结构连接强度和刚度高、加工方便，节省钢材，但钢结构在焊接时加热不均，内部会积蓄较大的焊接残余应力，对结构完整性、承载力及服役寿命极为不利。此外，焊接热过程对焊缝及热影响区焊后微组织存在较大影响，通过焊接温度场可全面反映焊缝质量。国内外学者研究的重点大多集中在应用数值模拟方法研究焊缝及热影响区温度场、应力应变场分布规律，熔尺尺寸，铝合金搅拌摩擦焊焊接效果，搅拌头转速对温度场的影响等方面。现有研究成果基本是针对直线焊的研究，对波形钢腹板曲线焊研究较少。1 试验梁材料及构造根据 公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范（JTG D622018）的相关要求，参考某跨江大桥，按照125的相似比设计并制作了试验梁，并对该试验梁展开全熔透焊缝焊接工艺试验。试验梁为跨径2.5 m+5.0 m+2.5 m的3跨变截面连续梁设计，中支座和边支座梁高分别为0.7 m和0.5 m，中跨跨中梁高0.5 m；箱梁顶底板宽1.5 m和1.08 m。将固定支座设置在其中1个中支点处，其余支点均设置滑动支座。试验梁顶底板全部采用C40混凝土，结构实测抗压强度为45.68 MPa；使用8 mm的HRB335普通钢筋和15.2 mm的预应力钢绞线。预应力筋布置时在顶底板内共布置4根直线预应力筋和2根体外双折线预应力筋，全部锚固于端横隔板上。波形钢腹板以Q345钢板为主要材料，通过嵌入型抗剪连接件连接腹板和混凝土顶底板。跨中、边跨以及支座处分别设置厚度为15cm和20 cm的中横隔板和端横隔板。试验梁主梁1/2立面图见图1，试验箱梁横截面图见图2。单位：cm图1 主梁1/2立面图单位：mm图2 试验箱梁横截面图焊材采用1.2 mm的E501T-1或1.2 mm的ER50-6两种材料，焊接方式主要有FCAW/GMAW-CO2平角焊和FCAW/GMAW-CO2横焊两种。该跨江大桥波形钢腹收稿日期：2023-03-14作者简介：李济辉（1981），男，工程师，从事公路桥梁施工监理工作。波形钢腹板梁全熔透焊缝高效焊接工艺应用探讨李济辉（江西省嘉和工程咨询监理有限公司，江西 南昌 330103）摘要：参考某跨江大桥制备试验梁，对试验梁开展全熔透焊缝焊接工艺试验。试验结果表明，常规焊接工艺和焊后变形矫正技术很难保证波形钢腹板梁高质量、高精度预制安装，通过应用全熔透焊缝高效焊接工艺及变形控制方法，可实现波形钢腹板梁和顶板、底板不清根情况下全熔透角接焊缝高效焊接；在加强焊接变形控制和焊后变形矫正的基础上，可实现波形钢腹板梁工厂自动化、智能化预制，为施工质量和工效的提升提供保证。关键词：波形钢腹板梁；全熔透焊缝；高效焊接；温度场中图分类号：U445.4文献标识码：B153总652期2023年第22期（8月 上）板和顶板、底板全熔透焊缝均采用焊缝坡口侧打底、填充及盖面的焊接处理；背侧则通过碳弧气刨刨削清根的方式，增强熔透性。而实际焊接施工过程中，焊缝根部熔合性差、清根飞溅多、焊接变形严重、熔敷金属填充量大等现象普遍存在1，不利于钢梁精确、高质量加工。为此，必须采取切实可行的波形钢腹板全熔透焊缝焊接控制工艺。2 全熔透角接焊缝焊接试验2.1 试验方法焊缝全熔透焊接主要包括单面焊双面成型焊接及双面焊接工艺，后者要求设计出专门的焊接设备实施内部焊接，且对焊接设备体积有较高要求，理论上适用于波形钢腹板焊缝焊接。但根据厂家反馈，当前市场上并无可靠且可选的焊接设备，焊接工艺存在较大控制难度。单面焊双面成型焊接工艺在应用过程中，必须在坡口根部安装垫层，但垫层安装后会增大装配工程量，并增大装配精度控制难度。为展开波形钢腹板全熔透焊缝焊接控制工艺研究，采取了一种较为高效的施焊方法，即应用数控电弧技术焊接电源，聚拢、压缩焊接电弧，以实现电弧集中喷射过渡；同时还采用了高送丝速度施焊工艺，保证焊接电弧的穿透力，并能较为容易地对带有一定钝边、一定组对间隙的角接全熔透焊缝高效熔透施焊，省去了焊缝背面清根的环节，大幅提升波形钢腹板全熔透焊缝焊接质量和效率，节省焊材。2.2 试验过程及结果2.2.1 试验材料以 16 mm 厚、长宽为 200 mm1500 mm 的 BCSW1200/Q345D波形钢腹板试件为焊接母材，按照公路桥涵施工技术规范（JTG/T F502011）的要求施焊，所选用的Q345D钢材质量性能应满足低合金高强度结构钢（GB/T 15912018）规定；采用单侧45 坡口形式，钝边长 13 mm，组装间隙 03 mm，横位组装。以性能满足气体保护焊用碳钢、低合金钢焊丝（GB/T 81102020）的ER50-6实心焊丝为焊接材料，保护气体采用80%Ar+20%CO2的富氩混合气体，并配备德国雷姆公司生产的特殊电源装置的MEGA FOCUS 500型聚弧脉冲深熔焊气体保护焊接机，以提升坡口根部穿透力，改善电弧渗透，为焊缝根部成型提供保障；还能减小热输入，提升熔化效率，保证焊接质量。2.2.2 试验过程按照波形尺寸11的比例压制波形钢腹板，波长1 200 mm，以波峰、波谷圆弧过渡区等人工施焊质量控制难度较大区域为不断弧施焊区域。根据首道打底施焊顺序，将施焊过程分成坡口侧打底和非坡口侧打底两种2，再结合焊接施工实际不同坡口钝边及组装间隙进行焊接工艺试验。焊接施工工艺参数取值情况见表1和表2。表1 坡口侧打底施焊焊道排列工艺参数取值组装情况对应焊道焊接方法焊接电流/A电弧电压/V施焊速度/（mm/min）气体流量/（L/min）间隙宽0 mm，钝边宽2 mm1深熔焊3423020254002MAG（GMAW）2762915203504003MAG（GMAW）2502915203504004MAG（GMAW）2602815203504005MAG（GMAW）250281520350400间隙宽0 mm，钝边宽3 mm1深熔焊3383215254002深熔焊3243315254003深熔焊3203315254004深熔焊3253415254005MAG（GMAW）305331525350400表2 非坡口侧打底施焊焊道排列工艺参数取值组装情况对应焊道焊接方法焊接电流/A电弧电压/V施焊速度/（mm/min）气体流量/（L/min）间隙宽0mm，钝边宽2mm1深熔焊3293415204002深熔焊3213315205503MAG（GMAW）2203115203004MAG（GMAW）2293115203005MAG（GMAW）1882515204002.2.3 试验结果结合同类桥梁工程实践，预留间隙深熔焊焊接质量较好。因此本次试验主要对无间隙、预留钝边试件展开试验，并对焊接好的试件焊缝按照公路桥涵施工技术规范（JTG/T 36502020）展开Ultrasonic Testing超声波检测，以试件焊缝全长为主要检测范围。检验结果均合格。在此基础上，展开焊缝硬度、冲击、拉伸等力学性能试验，试验结果见表3。根据试验结果，-20 下焊接接头冲击、拉伸试验参数取值均明显高于母材强度规范，整体焊缝韧性和强度均符合结构受力要求。表3 焊缝硬度测试结果参数屈服极限/MPa抗拉强度/MPa断后伸长率（%）位置焊缝焊缝焊缝合格标准34547021试件158167025试件254565827试件353562825焊接接头热输入与常规气体保护焊2324 kJ/cm的热输入相差小，且整体偏低，不会因热输入过大而使焊缝热影响区晶粒粗大，或改变组织性能。2.2.4 焊接接头微观组织根据对波形钢腹板梁全熔透焊缝接头试件微观界154交通世界TRANSPOWORLD面金相组织的分析，试件母材金相组织主要以珠光体+铁素体为主，焊缝和热影响区内金相组织则以少量铁素体+索氏体+贝氏体为主3。焊缝组织是决定和影响焊接试件接头性能的主要方面，通过分析母材、焊缝、热影响区微观金相组织看出，深熔焊焊接方式在焊接速度、电弧电压、焊接电流等方面均比常规MAG（GMAW）焊高，但对焊缝组织性能均无不利影响。通过分析焊接接头力学性能及金相组织得出，深熔焊焊接方式可提高焊接接头组织性能，解决常规焊缝刨削清根问题，还能提升施焊效率与质量，为桥梁智能化施工奠定基础。3 全熔透角接焊缝焊接变形控制波形钢腹板组合梁基本属于标准结构件，在其大批量工厂预制的过程中，焊接变形控制对加工制造质量至关重要。波形钢腹板组合桥梁单箱梁段采用U形槽结构，因结构形式特殊，顶板和底板均为中厚板，在缺乏刚性约束、合理组装工艺及焊接工装夹具的情况下，顶底板和波形钢腹板全熔透焊缝施焊结束后必然面临较大的横桥向马鞍式变形和顺桥向波浪式变形。因此焊接变形控制是波形钢腹板梁预制及施工过程中的突出难题。3.1 焊接变形控制在组装波形钢腹板和顶板时，为控制焊接变形，必须设置与波形钢腹板焊缝吻合的施焊坡口，并控制熔敷金属填充量；同时施加一定的反变形量，对厚度较大的波形钢腹板设置K形对称施焊坡口。焊接施工应在专用焊接工装台架上进行，并制备简易施焊工装夹具；对于栓接形式的杆件，还应制作防变形工装，控制焊接变形。具体而言，应在焊前，将坡口两侧20 mm范围内的水锈、油污、毛刺等杂物彻底清除，通过磨光机清理坡口两侧，直至露出金属光泽，并通过压缩空气清理钢板上砂轮片粉末。打磨后的坡口两侧必须尽快组装并焊接，避免坡口再次氧化。因该波形钢腹板梁施工正值冬季，预制车间温度低，必须按照板厚的5倍确定钢板预热范围。焊前清理送丝管，避免出现气孔，并检查焊机送丝的顺畅性，将气体纯度保持在 99.5%以上。以 CO2为保护气体，且保护气体流量为 1520 L/min的情况下，焊接工艺参数按照表4取值。表4 焊接工艺参数取值层/道1234填充材料型号ER50-6ER50-6填充材料直径/mm1.21.2焊接电流/A210230230250极性直流反接直流反接焊接电压/V23252527焊接施工速度/（cm/min）405035453.2 焊后变形矫正波形钢腹板桥梁加工制造的焊后变形矫正方式主要有机械矫正和热矫正两种，前者对于拱形结构件矫正较为适用，后者则适用于大型桥梁杆件制作过程。结合工程实践，波形钢腹板梁结构件采用热矫正方式处治焊后变形效率低、矫正效果差，还会影响杆件加工制造进程。基于此，该波形钢腹板试验梁采用专门研发的机械矫正机，提升焊后变形矫正质量和效率的同时，有效解决了波形钢腹板厂内预制构件焊后变形矫正的难题。波形钢腹板梁顶板全部为 12、14、16 mm 厚的钢板，厚度较薄，焊后表现出严重变形，面临较大的矫正工作量。故该跨江桥梁使用顶板提升矫正机，该机械适用于波形钢腹板梁顶板焊后变形矫正4。波形钢腹板和底板焊缝属于箱梁整装后的焊缝，焊后存在较大变形，矫正难度及工作量较大。因此，引入底板顶压矫正机，进行波形钢腹板梁底板焊后变形矫正。在顶压矫正机矫平头中嵌入波形钢腹板梁底板，开启液压阀后，借助液压千斤顶使独立矫平板顶压变形底板，直至达到矫平状态。4 结束语从本文分析结果得知，波形钢腹板梁角接全熔透焊接试验中，应用高效焊接方式后接头力学性能均比母材优异，焊缝微观组织结构也明显优化，在不清根情况下可得到角接全熔透级接头。波形钢腹板因板梁厚度薄，焊后存在严重变形，常规热矫正方式很难应用于大规模、高精度钢梁矫正，而通过加强焊接变形控制以及引入顶板提升矫正机和底板顶压矫正机展开焊后变形矫正，能较好的解决生产实际问题。总之，高效焊接方法的应用可减少熔敷金属填充量，有效控制焊接变形，其与焊后变形矫正机的结合能大幅提升波形钢腹板桥梁施工效率和质量。参考文献：1 冀伟，张鹏，姜红.波形钢腹板梁T形接头焊接温度场分析J.焊接，2022（6）：8-14.2 王旭.波形钢腹板梁全熔透焊缝高效焊接方法的应用及变形控制J.焊接技术，2021，50（8）：86-91.3 郑辉，黄丽霞，王志刚，等.波形钢腹板T型焊缝超声检测参数优化研究J.南昌航空大学学报（自然科学版），2018，32（3）：70-75.4 韩二阳，汤潮武，唐进，等.波形钢腹板曲线焊缝自动焊接浅析J.现代制造技术与装备，2018（5）：102-103，115.155