孙口黄河大桥钢梁整体节点的焊接技术

HEATS

1　前　言
　　孙口黄河大桥是京九线衡水-商丘的一座铁路双线下承式无竖杆三角桁式整体节点栓焊连续桁梁，跨度为4×180 m，共4联。整体节点为国内首次采用的新结构，具有节省钢材和高强度螺栓，有利于工地架设等优点，是今后的发展方向。整体节点构造复杂，焊缝密集。既有对接焊缝，又有棱角焊缝和角焊缝，焊接质量要求高，屈服强度控制严，在焊接实验中还存在对接、棱角接熔深储备不够，棱角焊有沟槽、咬边、高温裂纹和烧穿等问题。在宝鸡桥梁厂和有关单位的共同努力下，使问题得到解决，确保了焊接质量，并提前一个多月完成。

2　孙口黄河大桥的焊接工艺研究
2.1　焊接接头的主要技术指标：
　　对接　σ_s(W)=σ_s(B)+100 (MPa);角接　σ_s(W)=σ_s(B)+120 (MPa);各种焊接接头的三区　-25℃，AKV≥48J(35J)。
2.2　焊接工艺研究
　　对SM490C钢对接、棱角接、角接焊接工艺进行了研究。用优化的H08MnT或H10Mn2、H08MnA焊丝、SJ101焊剂和焊接工艺施焊各种焊接接头，按照修订后的技术指标衡量，得知H10Mn2焊丝能够满足对接、棱角接技术指标要求，H08MnA焊丝能够满足角接头技术指标的要求。
　　在焊接过程中，对熔深储备不够的焊缝，通过改变坡口尺寸、坡口角度和调整焊接参数，使之得到了改善；对棱角焊缝的沟槽和咬边问题，通过改变焊丝倾斜角度和焊丝对准位置，调整焊接顺序，使之得到了解决；对于棱角焊缝的第1道焊缝产生的高温裂纹，通过改变坡口尺寸，减小焊接电流，减慢车速，提高弧压或用CO₂气体保护焊打底，使之得到了解决。

3　孙口黄河大桥整体节点的焊接
3.1　整体节点的构造
　　孙口黄河大桥上下弦杆采用的整体节点，是由2块带节点的腹板、2块盖板、6块隔板和内撑板、接头板、平联节点板、各种连接板等部件组成。为了节省钢材，盖、腹板由不同尺寸和不同厚度的钢板拼接而成。
3.2　焊接
3.2.1　定位焊
　　为确保焊前部件的相互位置，防止部件倾倒进行了定位焊。因定位焊焊道短，冷却速度快，焊接热影响区易产生淬硬组织，从而形成冷裂纹。为此，用斜Y形坡口焊接裂纹试验法制定了防止冷裂纹的预热温度。定位焊采用含氢量低、抗裂性能好的E5015常用低氢型焊条焊接。为不影响熔深和防止小焊脚的咬边，坡口内和小焊脚的定位焊用?φ3.2 mm的焊条，其余用?φ4 mm焊条。为了防止定位焊的冷裂纹，对厚板定位焊长度必须≥80 mm，对薄板必须≥50 mm。
3.2.2　对接焊
　　整体节点上、下弦杆的盖、腹板是由不同尺寸、不同厚度的钢板对接而成。此项工艺在弦杆上首次应用，为确保对接接头的韧性，选用了含锰高的?φ5标准焊丝H10Mn₂和SJ101焊剂。用优化的焊接参数施焊各种对接接头(见下表)。引弧试板数据证明：各种对接接头的机械性能均满足技术指标要求。对接焊选用MZ-1-1000型焊机施焊。此焊机在遇到定位焊时，弧压不变，电流自动减小，不能将定位焊熔化掉，严重地影响了对接焊的熔透和定位焊时的气孔逸出，为此在生产中增加了用碳弧气刨清根的措施。

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表　对接、棱角接、角接焊接参数

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接头 型式	组成 板厚	焊丝 直径 mm	焊剂	焊　接　参　数
				焊道数	V条 m*n-1	I/A	u/V	V车 m*n-1	预热/℃	层温/℃	焊丝倾角/(°)
对接	16+16～18	5	SJ101	1 1		730±35	30±1	25	无～≥20	≤100
对接	20+20～36	5	SJ101	2 2		730±35	28±1 31±1	25	无～≥20	≤135
对接	24+24～36	5	SJ101	2 3		730±35	28±1 31±1	21.5	无～≥20	≤135
对接	28+28～32	5	SJ101	2 5		730±35	28±1 31±1	21.5	≥20	≤135
对接	32+36	5	SJ101	2 5		730±35	28±1 31±1	21.5	≥20	≤135
棱角	24～28 +24～36	5	SJ101	1 2		710±35	28±1 31±1	21.5	无～≥20	≤135	20
棱角	28+ 32～36	5	SJ101	1 2		710±35	28±1 31±1	21.5	≥20	≤135	20
棱角	20～24 +20～36	5	SJ101	1 2		710±35	28±1 31±1	25	无～≥20	≤135	20
棱角	16～20 +20～28	1.2 5	SJ101	1 1		260±20 710±35	32±2 31±1	21.5	≥60 无～≥20	≤135	20
角接 k=12	16～32 +16～36	5	SJ101	1 1	68.5	750±35	31±1	18	无～≥20	无
角接 k=10	16～20 +16～28	5	SJ101	1 1	62.5	730±35	30±1	19.5	无～≥20	无

( ~% Q" y4 X) Y1 o% C$ {% f3 y5 k7 y( Z7 s2 o9 K" x2 w. w) H& H# |

3.2.3　棱角接 　　整体节点的棱角接系国内首次应用，选用了含锰高的标准焊丝H10Mn2和SJ101焊剂，用优化的焊接参数(见表1)施焊各种棱角接头，各项机械性能均满足技术指标要求。由于棱角焊缝长，盖板有加工旁弯，杆件有焊接变形致使组装间隙局部超差，又因组成的钢板中含热裂纹敏感元素Nb，曾在第1道焊缝中出现焊偏、烧穿和高温裂纹，严重地影响了焊缝质量。针对以上存在问题，对加装的刚性轨道采取精心调整轨道和焊丝对准位置，缩短焊头自由摆动高度来防止焊偏。对出现的间隙超差采取在隔板部位用手工焊打底，其余部位用夹具强制减少间隙防止烧穿。用减小第1道焊缝的焊接电流，减慢车速，提高弧压，改善焊缝成形系数，使焊缝中的低熔点夹杂物易于上浮，防止高温裂纹。对熔深储备不够的问题采取用?φ3.2 mm的焊条进行定位焊，并改善CO2气体保护焊的操作方法和限制堆焊高度来确保熔深。 3.2.4　角焊缝 　　(1) 埋弧自动焊用来焊接整体节点上、下弦杆的下翼缘角焊缝和上弦杆的上翼缘角焊缝。焊丝选用H08MnA，焊剂选用SJ101，用优化的焊接参数施焊各种角接头，各项机械性能均满足技术指标要求。上、下弦杆的下翼缘角焊缝有变截面，用MZ1-1000型焊机施焊易焊偏，采取精心调整焊丝对准位置来防止。棱角焊缝难度大，为了减少此类焊缝的工作量，设计上将上弦杆的棱角缝改为角焊缝。为了节省钢材，尽量减少伸出肢的高度，工厂设计了焊机托架。 　　(2) 手工焊用来焊接平联节点板、隔板、撑板和接头板等角焊缝。焊条用E5015，直径为?φ4 mm或?φ5 mm两种。 3.2.5　整体节点的焊接顺序 　　为了确保整体节点的焊缝质量和制造精度，提高焊接效率，制订了合理的焊接顺序。① 为使部件能够自由收缩减少焊接残余应力，盖、腹板对接在单元上进行。② 上、下弦杆组成槽形后，焊接槽形内两端头翼缘角焊缝和隔板角焊缝，为了减小焊接变形，焊接方向从外向内侧施焊。③上、下弦杆组成箱形后，为确保整体节点的制造精度，先焊两端头内侧翼缘角焊缝，再焊棱角焊缝，最后焊外侧翼缘角焊缝。④ 其它部件和上弦平联节点板组装后的焊接。 　　为确保焊缝质量和节点板部位盖板的平面度，改进坡口尺寸并先焊平联节点外侧角焊缝，然后焊接平联节点板内侧角焊缝、平联节点板和撑板的角焊缝，矫正后再焊盖板和撑板的角焊缝。为了改善平联节点板端部疲劳强度，除将端部修磨匀顺外还增加了锤击。 4　结　论 　　(1) 用优选的焊接材料和焊接工艺施焊的各种焊接接头和生产中采取的多项措施使焊缝外形美观，内部质量良好，对接焊缝一次探伤合格率达到了99.85%，棱角焊缝一次探伤合格率达到了96.43%，角接焊缝一次探伤合格率达到了99.13%。超出了历史最好水平。各项机械性能均满足技术指标要求。 　　(2) 整体节点的对接、棱角接和平联节点板端部的锤击在我国尚属首次应用，此项新技术已接近国际先进水平。