公路钢箱梁埋弧焊工艺研究_朱庆菊.pdf

2023年 第5期 热加工66焊接与切割W e l d i n g&C u t t i n g公路钢箱梁埋弧焊工艺研究朱庆菊，刘宽，李浩，范军旗中铁山桥集团有限公司 河北秦皇岛 066000 摘要：以吉黑高速公路钢箱梁桥制造为背景，详细介绍了当前公路钢箱梁制造过程中必须使用和可以使用埋弧焊方法的典型接头形式，主要包括钢板对接接料焊缝、顶/底板单元间纵向对接焊缝、钢箱梁节段间的对接焊缝、顶板U形肋熔透角焊缝、板单元纵向板肋坡口角焊缝和T形角焊缝等。通过对埋弧焊评定试验结果的分析研究，制定了合理的焊接工艺，制造过程中最大可能地采用了机械化和自动化的埋弧焊，大大提高了公路钢箱梁的焊接质量和生产效率，也表明了进行埋弧焊工艺优化和智能化提升的必要性和紧迫性。关键词：钢箱梁；埋弧焊；评定试验；焊接专机1 序言 吉黑高速公路钢箱梁主线桥跨径布置为43.46m55m33.46m和61.098m80m61.117m，采用分离式双箱双室结构，每个箱室各设置两道直腹板，两箱间采用横联连接，两侧对称设置悬臂梁，标准段每隔2m设置一道实腹式横隔板或框架式横隔板。顶板板厚16mm和20mm，宽13m，底板板厚16mm和20mm，宽13m，腹板板厚16mm和20mm，高度为1.852.4m。其中顶板设置U形加劲肋，悬臂顶板设置3条板肋和两条U形加劲肋，腹板设置纵向板肋，底板纵向设置T形加劲肋。钢箱梁横断面如图1所示。吉黑高速公路主线桥钢箱梁钢板材质为Q345qE钢，技术条件符合GB/T 7142015桥梁用结构钢的规定。图1主线桥钢箱梁横断面示意2 焊接工艺评定试验不断提高桥梁钢结构的焊接生产效率和焊接自动化程度，从而提高其制造质量和使用寿命，一直是桥梁钢结构焊接生产技术提升的主题1。吉黑高速钢箱梁制造过程中必须使用和可以使用埋弧焊的接头形式主要包括钢板对接接料对接焊缝、顶/底板单元间纵向对接焊缝、钢箱梁节段间对接焊缝、顶板U形肋熔透角焊缝、板单元板肋T形角焊缝等，生产中采用了埋弧焊的机械化和自动化焊接工艺，大大提高了钢箱梁的焊接质量和生产效率，相关的焊接工艺评定项目见表1。2.1 施焊状况施焊状况见表2。试件焊接完成后进行外观检查，表面质量符合技术要求。焊接24h后，分别对D1D5对接焊缝、U形肋熔透角焊缝R4进行超声波检测，内部质量满足Q/CR 92112015铁路钢桥制造规范I级；对P2、T5角焊缝进行超声波检测，内部质量满足Q/CR 92112015铁路钢桥制造规范级2。2023年 第5期 热加工67焊接与切割W e l d i n g&C u t t i n g表1Q345qE钢埋弧焊评定项目编号板厚组合/mm坡口形式焊接位置焊接方法及焊接材料代表焊缝D116+16平位实芯焊丝气体保护半自动焊+埋弧焊HTW-58（1.2mm）H08Mn2E（5mm）+SJ101q板厚1218mm的钢板对接接料（厂内）D232+32平位实芯焊丝气体保护半自动焊+埋弧焊HTW-58（1.2mm）H08Mn2E（5mm）+SJ101q板厚2441mm的钢板对接接料D322+22平位实芯焊丝气体保护半自动焊+埋弧焊HTW-58（1.2mm）H08Mn2E（5mm）+SJ101q板厚2025mm的钢板对接接料（厂内）D416+16平位气体保护半自动焊+埋弧焊HTW-58（1.2mm）E501T-1L（1.2mm）H08Mn2E（5mm）+SJ101q背面衬TG-2.0Z陶质衬垫顶板、底板间对接焊缝代表板厚：1224mm（工地）D516+16平位气体保护半自动焊+埋弧焊HTW-58（1.2mm）E501T-1L（1.2mm）H08Mn2E（5mm）+SJ101q背面衬TG-2.02M陶质衬垫顶板、底板间对接焊缝代表板厚：1224mm（大间隙、工地）R18+22平位+船位内侧富氩气体保护焊（内焊专机焊接）ER50-6（1.2mm）（桶装）外侧埋弧焊（埋弧焊专机）H08Mn（3.2mm）+SJ101q桥面板U形肋熔透角焊缝（厂内）P124+24船位CO2气体保护焊+埋弧焊ER50-6（1.2mm）H08Mn（5.0mm）+SJ101q板单元上加劲肋坡口角焊缝等（厂内）T116+24船位埋弧焊H08Mn（5.0mm）SJ101q板单元上加劲肋角焊缝等（厂内）2023年 第5期 热加工68焊接与切割W e l d i n g&C u t t i n g表2施焊状况焊缝编号熔敷简图焊道道间温度/焊接电流/A电弧电压/V焊接速度/（m/h）焊接方法备注D11240260283014121（5mm）温度：28湿度：72%背面清根平位焊接2、380、120630650303224121（5mm）4、5140、160630650303224670660680303224D2180220240283031，24135（1.2mm）温度：28湿度：72%背面清根平位焊接预热802、3120、145630650283024121（5mm）4、5120、1556606803032226130620640303224710130160640680303224D31220240283018135（1.2mm）温度：10湿度：22%背面清根平位焊接270570600283021121（5mm）3、41106006303032225780130600630303223，25D4116018026287135（1.2mm）温度：8湿度：32%衬陶质衬垫平位焊接21202202402830153570110240260283017286、7801306603024121（5mm）D511601802628-135（1.2mm）温度：8湿度：32%衬陶质衬垫平位焊接246013022024028302428136（1.2mm）512150240260303220301315130150660302325121（5mm）R11310330303218131（1.2mm）温度：13湿度：30%平位+船位焊接280630640303223.5121（3.2mm）P112202402830135（1.2mm）温度：26湿度：54%船位焊接2、365、100660680303224121（5mm）41206406603032225、6140、145660680303224T116003020121（5mm）温度：8湿度：32%船位焊接21106303016注：焊接方法标注中，121表示单丝埋弧焊；131表示富氩气体保护焊；135表示实芯焊丝CO2气体保护焊；136表示药芯焊丝CO2气体保 护焊；CO2气体流量1520L/min，下同。2023年 第5期 热加工69焊接与切割W e l d i n g&C u t t i n g2.2 试验结果对各焊缝接头进行力学性能试验，拉伸及弯曲试验结果见表3，对接焊缝冲击试验结果见表4，接头硬度试验结果见表5。接头断面形貌如图2所示。由图2可知，各个接头熔合良好。表3Q345qE钢焊接接头拉伸及弯曲试验结果编号板厚组合/mm焊缝拉棒接头拉板弯曲（侧弯）180屈服强度/MPa抗拉强度/MPa伸长率（%）抗拉强度/MPa断口位置D1161649759427508基材d2a 完好D2323246355230571基材d3a 完好D3222253160228523基材d3a 完好D4161649658027564焊缝d2a完好D5161646254230539焊缝d2a 完好R182248159725P1242439250230T1162439452724表4Q345qE钢对接焊缝冲击试验结果编号板厚组合/mm冲击试验温度/冲击吸收能量/J焊缝金属热影响区D116164060、54、104200、139、180D232324066、59、73 253、143、102D3222240154、84、102158、163、170D4161640103、54、43163、149、190D516164027、111、12433、168、53注：热影响区低温冲击试验位置为熔合线外1mm。表5Q345qE钢焊接接头硬度试验结果 （HV10）试件编号焊缝金属热影响区母材最高硬度D1174207165205156176207D2191220180229178210229D3181213177228170181228D4182231183232178194232D5164192177213160178213R1200211189214167190214P1200234195246169184246T1209218177226160176226a）D1e）D5c）D3g）P1 b）D2 f）R1d）D4h）T1图2接头宏观断面形貌2023年 第5期 热加工70焊接与切割W e l d i n g&C u t t i n g2.3 结果分析（1）焊缝强度 由表3可看出，各种接头的焊缝强度均高于母材标准值。焊缝金属强度分析见表6。（2）塑性 由表3可看出，焊缝金属的伸长率均高于母材标准值。对接接头弯曲试验结果均为合格，这表明焊接接头的塑性良好。焊缝金属伸长率分析见表6。（3）韧性 由表4可看出，对接焊缝的低温冲击吸收能量均符合技术要求。焊接接头低温冲击吸收能量分析见表7。表6Q345qE钢焊缝金属强度分析屈服强度/MPa抗拉强度/MPa伸长率（%）3925315026022430表7Q345qE钢焊接接头低温冲击吸收能量分析冲击试验温度/冲击吸收能量/J焊缝金属热影响区406611384173注：当板厚20mm时，冲击吸收能量标准为27J；当板厚 20mm时，冲击吸收能量标准为34J。（4）接头硬度 由表5可知，接头各区的硬度均380HV10，最高硬度为246HV10，且位于P2的热影响区。（5）接头宏观断面检测 由接头宏观断面可看出，焊缝熔合良好，无裂纹、气孔、夹渣及未熔合等缺陷，满足技术要求。3 生产应用3.1 焊接设备1）U肋熔透角焊缝采用板单元反变形船位焊接专机在反变形翻转胎上焊接；U肋内侧角焊缝采用板单元内焊专机（见图3）焊接，外侧角焊缝采用板单元船位埋弧焊专机（见图4）焊接；分别采用ZD5（D）-1250、YD-500FR、YD-500GL4等型号电源，均为直流反极性接法。2）其他对接焊缝和角焊缝的埋弧焊设备采用ZD5（D）-1250直流电源；CO2气体保护焊的焊接设备采用KR500型焊机等，均为直流反极性接法。3.2 焊接材料1）钢板对接接料焊缝采用实芯焊丝ER50-6（1.2mm）CO2气体保护焊打底，埋弧焊填充、盖面，埋弧焊采用H08Mn2E（5mm）焊丝+SJ101q焊剂焊接。2）顶板、底板单元间纵向对接焊缝以及梁段间顶板、平底板间对接焊缝可以采用实芯焊丝ER50-6（1.2mm）CO2气体保护焊打底、填充，埋弧焊盖面，埋弧焊采用H08Mn2E（5mm）焊丝+SJ101q焊剂焊接。3）顶板U肋熔透角焊缝U肋内侧角焊缝采用实芯焊丝ER50-6（1.2mm）富氩气体保护焊焊接，外侧角焊缝采用板单元船位埋弧焊专机焊接，焊接材料采用H08Mn（3.2mm）焊丝+SJ101q焊剂。4）板单元上加劲肋坡口角焊缝采用实芯焊丝ER50-6（1.2mm）CO2气体保护焊打底，埋弧焊填充、盖面，埋弧焊采用H08Mn（5mm）焊丝图4板单元船位埋弧焊专机图3U肋内焊专机 2023年 第5期 热加工71焊接与切割W e l d i n g&C u t t i n g+SJ101q焊剂焊接。5）板单元上加劲肋T形角焊缝采用埋弧焊，焊接材料采用H08Mn（5mm）焊丝+SJ101q焊剂焊接。3.3 焊接工艺优化1）对于D1D3厂内钢板对接接料的焊接工艺，在之前生产的很多公路钢箱梁上采用钝边P=6mm坡口全部采用埋弧焊；经过反复的试验研究和对比分析，近年均采用钝边P=2mm坡口焊接，并增加了CO2气体保护焊打底，避免焊漏，并保证熔透焊接，主要是减少了碳弧气刨清根的工作量。2）对于D4、D5的顶板、底板间对接焊缝