港珠澳大桥索塔钢锚箱耐候钢厚板焊接技术研究--中国期刊网

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港珠澳大桥索塔钢锚箱耐候钢厚板焊接技术研究

发表时间：2021/6/28 来源：《基层建设》2021年第6期作者：华兴

[导读] 摘要：本文详细介绍了采用厚尺寸耐候钢板作为母材的索塔钢锚箱的焊接特点，在港珠澳大桥青州航道桥索塔钢锚箱制造中进行了焊接工艺评定试验，根据试验结果确定了焊接材料、焊接工艺，并成功运用。

        中铁山桥集团有限公司河北秦皇岛 066205
        摘要：本文详细介绍了采用厚尺寸耐候钢板作为母材的索塔钢锚箱的焊接特点，在港珠澳大桥青州航道桥索塔钢锚箱制造中进行了焊接工艺评定试验，根据试验结果确定了焊接材料、焊接工艺，并成功运用。由于厚板焊接变形较大，本文对防止焊接变形的措施进行了探讨，为今后类似桥梁工程提供参考。
        关键词：耐候钢；索塔钢锚箱；焊接工艺评定试验；厚板；焊接材料；焊接变形
        引言
        港珠澳大桥是由广东省牵头，粤港澳三地共同建设的特大型交通基础设施，连接香港、澳门、珠海三地，有着规模大、节段大、标准高、健康、安全、环保要求高的特点，受到三地民众、媒体和社会高度关注。港珠澳大桥全长35.6公里，其中主体桥梁工程长22.9km，总用钢量约40万吨，主要包括三座通航孔桥（九州航道桥、江海直达航道桥和青州航道桥）、浅水区非通航孔桥及深水区非通航孔桥三大部。
        青州航道桥索塔钢锚箱由侧面拉板、端部承压板、腹板、锚下承压板、锚垫板、横隔板、上下连接板、竖向连接板、内衬钢模板等构件组成，焊缝数量多，钢板厚度大，结构比较复杂。钢锚箱结构效果图见图1。

        图1 青州航道桥钢锚箱节段效果图
        本项目地处于海洋腐蚀性环境，为提高钢锚箱耐久性，减小运营期维养工作量，在国内首次设计采用耐候钢为母材制造钢锚箱，多数钢板厚度达40mm，板件之间采用焊接连接，钢锚箱制造开始前针对厚板耐候钢焊接进行了深入研究。
        1.耐候钢的特点
        耐候钢是介于普通钢与不锈钢之间的一类低合金钢，一般在钢中加入Cu、Cr、Ni、P等元素，通过在钢板表面形成致密和附着性很强的稳定锈层，阻止腐蚀，起耐候作用。耐候钢具有优良的韧性和塑性，且有耐磨、耐高温、抗疲劳以及焊接性较好的特点。由于在钢中加入合金元素，耐候钢的价格比普通低合金钢高，一次性投入较大，但其耐大气腐蚀能力为普通结构钢的2-8倍，可以免涂装使用，在特定条件下可以代替不锈钢，但价格比不锈钢低廉，全寿命周期的经济效益较为显著。
        2.研究的重点
        1）需要确定与耐候钢相匹配的焊接材料，制定合理的焊接工艺，保证焊接接头的力学性能满足规范要求，同时要保证焊接接头具有一定的耐腐蚀性能。
        2）钢锚箱结构复杂，制造和安装精度高，钢板较厚，且多数焊缝为熔透焊缝或深坡口焊缝，金属填充量大，焊接变形量大，必须采取措施控制焊接变形，减小焊接变形对构件尺寸的影响，提高构件的尺寸精度。
        3.焊接工艺评定试验
        3.1试验项目
        根据钢锚箱结构、材质、板厚、接头类型、拟采用的焊接方法、材料和焊接位置等，确定焊接工艺评定试验项目，进行试验，表1为具有代表性的试验项目。
                                     表1 钢锚箱焊接工艺评定试验项目

        3.2母材
        试验用耐候钢材质为Q355NHD钢板，板厚24、40、50、80mm，钢板符合《耐候结构钢》（GB/T4172-2000）的规定，主要通过合金元素Cu和Cr提高耐腐蚀性，钢板的化学成分和力学性能见表2、表3。
                                          表2 Q355NHD钢板化学成分（%）

                                         表3 Q355NHD钢板力学性能

        3.3焊接材料与焊接设备
        根据钢锚箱的结构、接头形式和耐候钢的化学成分、力学性能等特点，焊接方法采用CO2气体保护半自动焊，YD-500FR型直流电源，直流反极性接法。
        国内以往使用耐候钢的桥梁工程很少，缺少耐候钢焊接的相关标准、规范，本次试验参照美国标准AWS D1.1的相关要求，选用药芯焊丝LW-81Ni1（Φ1.2mm），焊丝主要通过添加Ni元素提高焊缝金属的耐腐蚀性和冲击韧性，焊丝的化学成分和力学性能见表4。根据焊材质保书和复验结果，焊丝熔覆金属的屈服强度、抗拉强度、伸长率、冲击韧性均不小于母材标准值，能够满足焊缝力学性能不低于母材标准值的要求。
        由于钢锚箱结构复杂，钢板厚度大，锚头部位结构尺寸小，施焊空间有限，全熔透角焊缝采用背面贴钢衬垫单面焊接的工艺，主要从锚箱外侧进行焊接，衬垫采用与主体结构一致的Q355NHD钢。
                         表4 LW-81Ni1（Φ1.2mm）焊丝的化学成分和力学性能

        3.4焊接预热和道间温度
        对板厚大于24mm的钢板进行火焰预热，板厚24~40mm时预热80~120℃，板厚大于40mm预热120~150度，板厚以接头组合中的厚板为准，预热范围为焊缝及两侧100mm，距离焊缝30~50mm处测温。
        3.5施焊状况及焊缝检验
        焊接前将待焊区域及周围30mm范围内清理干净，露出金属光泽。厚板焊接采用多层多道焊工艺，尽可能避免大幅度摆动焊接，减少焊接热输入，避免合金元素烧损过多，影响焊缝耐腐蚀性。施焊过程中控制道间温度不低于规定的预热温度，最高温度不超过200℃，施焊状况见表5。
                                            表5 对接焊缝和全熔透角焊缝施焊记录

        焊接24小时后对焊缝进行外观检查，表面质量符合规范要求，焊接48小时后对焊缝进行超声波探伤，焊缝内部质量达到GB11345—89Ⅰ级要求。
        对接焊缝、熔透角焊缝进行了焊缝金属拉伸、低温冲击和断面酸蚀试验，坡口角焊缝进行了焊缝金属拉伸和断面酸蚀试验，力学性能试验结果见表6，均满足不低于母材标准值的要求，接头断面照片见图2，接头熔合良好，焊接接头硬度试验结果均低于350HV。
                                     表6 焊接金属拉伸和低温冲击试验结果

                                      M1                                             M2                                  M3

                                         M4                                            M5                                     M6
                                                                       图2 接头断面照片
        对试验结果进行分析，焊缝金属屈服强度最小为540MPa，抗拉强度最小为600MPa，远远超过母材的标准值，说明焊缝强度偏高，主要是由于焊丝中添加的合金元素造成，也与焊接时采用了较小的线能量有关；焊缝金属的断后伸长率最小为26%，也超过母材标准值，说明焊缝塑性较好，强度偏高没有对塑性造成太大影响；焊缝金属-20℃低温冲击韧性，除M4外均在100以上，M4是立位焊接，热输入显著增加，冲击韧性比其他接头明显降低，说明采用控制热输入的焊接方法是非常有必要的。
        根据《GB/T 4171—2008耐候结构钢》，低合金钢的耐腐蚀性指数：I=26.01（%Cu）+3.88（%Ni）+1.20（%Cr）+1.49（%Si）+17.28（%P）-7.29（%Cu）（%Ni）-9.10（%Ni）（%P）-33.39（%Cu）2，I值越大钢钢板的耐腐蚀性越好。为了评估焊缝的耐腐蚀性，对母材和焊缝进行了化学成分分析，按照公式计算耐腐蚀性，焊缝的I值在4.2~4.6之间，钢板的耐腐蚀性指数在5.4~6之间，焊缝具有一定的耐腐蚀性，但比钢板的耐腐蚀性低，这主要是因为两者化学成分不同造成的，说明按照AWS D1.1选择焊接材料有一定局限性，后续应进一步研究选择合适的焊接材料，提高焊缝的耐腐蚀性。
        4.提高构件尺寸精度的措施
        索塔钢锚箱钢板板厚大，最大板厚为80mm，且多为熔透焊缝或深破口角焊缝，焊接量大，易出现焊接变形。由于钢锚箱结构复杂，制造和安装要求精度高（箱体长宽尺寸允许公差为±2mm，高度尺寸允许偏差为±1mm，拼装后整体垂直度偏差≤H/4 000），所以在焊接量大的情况下要保证外形尺寸的精度有着很大的难度。
        根据以往钢结构桥梁工程的经验，指定如下措施提高构件的尺寸精度：
        1）采用等离子数控切割机床代替小车火焰切割进行钢板下料，该机床具有自动划线功能，避免了人工划线和小车火焰切割的误差，提高了精度。
        2）对钢锚箱连接端面进行整体机加工，保证连接面的密贴精度。
        3）采用CO2气体保护焊方法焊接，CO2气体保护焊有着热输入小、热量集中的特点。采用对称施焊的方法，焊接过程中随时进行焊接变形的监测，及时进行火焰修整，确保焊接变形得到有效控制。
        4）在发往工地前，制造厂对钢锚箱进行立体试拼装，待拼装尺寸符合要求后发往工地，确保索塔钢锚箱在桥位的架设可顺利进行。
        5.结论
        1）通过焊缝力学性能试验数据对比分析，焊接接头的强度、塑性、韧性均不低于母材标准值，满足相关规范的要求。
        2）焊缝具有一定的耐腐蚀性，虽然耐腐蚀性指数较母材偏低，但由于钢锚箱是涂装使用，对焊缝的耐腐蚀性不做较高要求，焊缝自身的耐腐蚀性能够起到备用防护作用。
        3）通过实施控制焊接变形的措施，确保了索塔钢锚箱在桥位的顺利安装，保证了工期的要求。
        4）港珠澳大桥索塔钢锚箱Q355NHD耐候钢厚板焊接工艺研究为钢锚箱制造生产提供了技术保障，在实际生产制造中，受到了业主和监理的好评，为今后类似工程采用耐候钢提供了参考。
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