烟大铁路轮渡栈桥厚板焊接工艺试验研究

钢结构焊接国际论坛IFWT2006烟大铁路轮渡栈桥厚板焊接工艺试验研究陈宝民刘瑜夏阳洪保麒（中铁四局集团合肥中铁钢结构有限公司安徽合肥230022）摘要：对国产桥梁用钢Q370qE进行了焊接工艺研究，通过对50～120mm厚板的各种焊接接头形式的焊接工艺试验，总结出了Q370qE厚板焊接工艺参数。关键词：Q370qE钢焊接厚板工艺参数Abstract：TheexperimentalstudyontheweldabilityofQ370qEsteeliscarriedout.Attheweldingexperimentalof50～120mmthickplateonkindsofweldingjoint，theweldingabilityparameterofQ370qEthickpaltewasobtained.Keywords：Q370qEsteelwelding，Thickplate，Weldingabilityparameters0前言烟台至大连铁路轮渡项目，是我国铁路网规划中“八纵八横”之一的东北至长江三角洲地区陆海铁路大通道的重要组成部分，是《中长期铁路网规划》“十五计划”开工项目之一。烟台至大连铁路轮渡栈桥工程包括南端烟台港、北端大连港铁路栈桥和汽车栈桥。铁路栈桥为全焊结构下承式钢板梁机械传动可动式栈桥。铁路栈桥全长82.5m，由长52.645m、高5.2m、自重365t的陆区桥和长29.855m，高4.0m、自重276t的船区桥构成。栈桥中心G1、G2铰支座采用特殊的芯板和叉形构件，并通过销轴将芯板和叉形构件连接，从而实现陆区桥和船区桥的连接。钢梁主要受力杆件均采用材质为Q370qE桥梁专用钢焊接而成。栈桥所用板厚种类繁多（8～120mm），焊接接头形式多种多样，立焊、仰焊较多，Q370qE钢厚板焊接国内尚无成熟的工艺。特别是铰支座的芯板和叉形构件、油缸吊耳C3/C4构件以及陆区桥A1/A2构件均为特殊连接件，其钢板厚度50～120mm，对连接件的焊接接头力学性能要求严格。图1芯板与主梁连接示意2006钢结构焊接国际论坛论文集264IFWT2006钢结构焊接国际论坛目前，国内已知的采用Q370qE钢建造的铁路桥梁最大钢板厚度为50mm，而连接件的板厚大大超过了已建成的铁路桥梁的板厚；同时这些厚板连接件及连接件与桥梁结构的连接方式为国内首次采用。为此，有必要对厚板连接件焊接工艺进行试验研究。由于该桥板厚种类多，接头形式多种多样，焊缝的空间位置各异和焊接方法不同组成了50余种焊接接头。现选择该桥典型的关键件——芯板及其与栈桥主梁的焊接（如图1所示）说明厚板焊接工艺。1钢材栈桥主体结构采用Q370qE钢板，规格8～120mm。为满足焊接接头的冲击韧度，其钢板供货技术条件是在GB/T714—2000基础上，较大幅度地提高了低温冲击和时效指标，Q370qE钢板供货技术条件见表1和表2。表1钢种及熔炼化学成分（质量分数）（%）钢种CSiMnPSNbVTiCeqQ370qE≤0.17≤0.51.2～1.6≤0.02≤0.0150.010～0.035≤0.08≤0.02≤0.425表2钢材的力学性能冲击吸收功功（纵向）AKV/J钢种板厚/mm屈服强度/MPa抗拉强度/MPa伸长率δ（%）冷弯180°−40℃时效≤16≥370≥530≥21d=2a16～35≥355≥510≥2035～50≥330≥490≥2050～80≥330≥490≥20d=3a≥100≥10080～100≥310≥490≥20d=3aQ370qE＞100≥285≥490≥20d=3a≥120≥1002焊接材料（1）埋弧焊焊接材料对接焊缝采用H08Mn2E+SJ101q。焊丝和焊剂供货技术条件见表3～5。表3埋弧焊焊丝化学成分（质量分数）（%）焊丝牌号CSiMnPSCrNiH08Mn2E≤0.10≤0.071.50～1.90≤0.015≤0.010≤0.20≤0.30表4焊剂SJ101q化学成分（质量分数）（%）SiO2+TiO2CaO+MnOAl2O3+MgOCaF2SP18～2828～3520～3018～25≤0.015≤0.0302652006钢结构焊接国际论坛论文集钢结构焊接国际论坛IFWT2006表5焊剂SJ101q熔敷金属力学性能（配H10Mn2焊丝）σs/MPaσb/MPaδ5（%）−30℃Akv/J400～490500～620≥26≥平均值125、≥最低值85（2）焊接材料为满足焊接接头的冲击韧度，焊条电弧焊采用SHJ507Ni焊条。供货技术条件见表6和表7。表6SHJ507Ni焊条熔敷金属化学成分（质量分数）（%）CSiMnPSNi0.02～0.100.15～0.5051.50～1.90≤0.02≤0.030.50～1.10表7SHJ507Ni焊条熔敷金属力学性能σs/MPaσb/MPaδ5（%）−40℃Akv/J390～490≥510≥24≥平均值80、≥最低值543试验用焊接设备（1）埋弧焊焊机MZ—1—1000型焊机。（2）焊条电弧焊焊机ZX7—400。4焊接工艺试验4.1焊接接头力学性能合格标准根据《烟大铁路栈桥钢梁及其他钢结构工程》的相关文件规定，烟大铁路轮渡栈桥焊接接头力学性能合格标准如下：（1）接头强度对接焊缝、角接焊缝屈服强度（σs）、抗拉强度（σb）不低于母材标准。（2）焊接接头韧性①对接焊缝及受拉的开坡口的角焊缝各部位−30℃时的却贝V冲击吸收功不小于48J。②角接及棱角接焊缝各部位−30℃时的却贝V冲击吸收功不小于34J。③对接接头时效冲击吸收功不小于34J。（3）冷弯按照《铁路钢桥制造规范》TB10212—1998的要求办理。（4）伸长率板厚t≤16mm，δ5≥20%；板厚t＞16mm，δ5≥19%。4.2370qE钢焊接性试验及预热温度的确定Q370qE钢焊接性试验采用斜Y形坡口焊接裂纹试验方法和焊接热影响区最高硬度试验方法，为满足烟台现场冬季施工的需要，试验分常温（≥5℃）和低温（−3～5℃）两种条件进行。根据大、小铁研和HAZ最高硬度试验结果确定的预热温度见表8和表9。表8常温条件下的焊接预热温度及道间温度预热温度/℃主要构件的道间温度/℃板厚/mm定位焊、焊条电弧焊埋弧焊预热范围距接缝/mm埋弧焊焊条电弧焊≤25≥5≥5/25～25025～18030～4060～10020～50≥10025～25050～18046～5080～12050～80≥10050～25060～18060～80100～13060～100≥2δ—80～180100～120120～15060～100≥2δ60～250100～1802006钢结构焊接国际论坛论文集266IFWT2006钢结构焊接国际论坛表9冬季施工的焊接预热温度及道间温度预热温度/℃板厚/mm定位焊、焊条电弧焊埋弧焊预热范围距接缝/mm主要构件的道间温度/℃≤16≥3020～40≥10020～18020～25≥5030～50≥10040～18030～4070～10030～60≥10060～18046～50100～13050～80≥10080～18060～80120～150—≥150100～180100～120130～160—≥200120～1804.3芯板的焊接工艺试验4.3.150mm与120mm板对接（见表10焊缝1）铁路栈桥主梁芯板对接为50mm与120mm不等厚板对接，为提高工效，确保焊缝质量，采用埋弧焊，其坡口形式为70°的X形坡口。为减缓冷却速度，防止冷裂纹产生，焊前预热50～80℃；为确保熔透，采取背面清根工艺；为提高焊缝的韧性，采用多层多道，并有效地控制热输入量和层道间温度。采取如上措施，焊缝经超声波探伤和射线探伤均达到Ⅰ级；焊缝及接头强度适中，焊缝塑性储备较多，而接头韧性更是超出标准（−30℃、≥48J）一倍以上，为焊接施工创造了良好条件。焊接工艺见表10。烟台现场用此工艺焊接栈桥主梁盖板的引弧试板的力学性能合格率达100%。4.3.250mm与120mm板的坡口角接（见表10焊缝2）芯板上120mm厚的主梁腹板和120mm厚的辅梁腹板是通过50mm厚的隔板焊接连接，主梁腹板一侧是K形坡口角焊缝，辅梁腹板一侧是棱角焊缝。该坡口角焊缝设计要求焊缝喉厚不小于21mm，试件的焊缝理论喉厚22.4mm，由于该桥类似焊缝有5种，统一选择了表10的试板厚度和坡口尺寸。焊接时采用平角焊，用SHJ507Ni、φ4mm焊条打底，以保证根部熔合良好。焊后检测，焊缝外观成形良好；力学性能方面，焊缝强度略偏高，但其韧塑性有较多富裕。4.3.350mm与120mm板的坡口棱角接（见表10焊缝3）该棱角焊缝为单面横焊，要求熔透。坡口形式和尺寸见表10。由于采用了较大的根部坡口半径，打底焊时容易操作，根部熔合良好，易于清渣；采用多层多道，每层多道并列，有利于提高焊缝的综合力学性能。经马钢技术中心检测，焊缝力学性能优良。4.4芯板与主梁连接的焊接工艺试验芯板与主梁连接主要是主梁16mm腹板与50mm厚板对接立焊，以及40mm厚的盖板对接单面平焊。4.4.116mm腹板与120mm厚板对接立焊（见表10焊缝4）主梁16mm腹板与120mm厚的接陆端铰板，以及50mm厚的芯板对接立焊焊缝是该桥2672006钢结构焊接国际论坛论文集钢结构焊接国际论坛IFWT2006最重要的受控焊缝之一，要求超声波探伤Ⅰ级。试板采用16mm＋120mm，厚板加工成1:8的斜坡后与16mm板开65°的X形坡口对接，间隙4mm。焊前120mm板预热100～130℃，用φ3.2mm焊条打底、φ3.2mm或φ4mm焊条填充和盖面，焊背面前清根，砂轮修磨，每面焊4道，盖面的2道采用并列焊道，以提高焊缝的冲击韧度。力学性能试验结果显示，强度合格，焊缝薄板及厚板侧热影响区的韧性均比标准有较多的储备。4.4.240mm厚的盖板对接单面平焊（见表10焊缝5）由于栈桥拼装完成后不能进行翻转焊接，此时的盖板对接采用单面焊双面成形工艺，试板开40°的V形坡口，间隙5mm，背面垫陶瓷衬垫，焊接时用φ4mm焊条打底，φ4mm焊条填充盖面，焊接参数和焊道排列见表10。4.5焊接工艺上述5种焊缝的坡口尺寸和施焊参数见表10。表10焊接接头工艺评定项目及试验条件焊接参数序号项目名称坡口及焊道简图焊接材料焊道序号焊接电流/A焊接电压/V焊接速度/cm·min−1焊缝1δ50mm+120mm对接，埋弧平焊（双面V形坡口）H08Mn2Eφ5.0mmSJ101q12～789～15660710～720740～760710～7203030～3330～3131～323736～403636～38焊缝2δ60mm+80mm角接，手弧平焊SHJ507Niφ4.0mmφ5.0mm1～89～30180210————焊缝3δ50mm+δ120mm棱角接，手弧立焊（V形坡口）SHJ507Niφ3.2mmφ4.0mm123～2122～23140～150120～130150～160110～12025～2925～3026～3024～30————焊缝4δ16mm+120mm对接，手弧立焊（双面V形坡口）SHJ507Niφ3.2mmφ4.0mm2，4其余130～135100～110————焊缝5δ40mm+40mm对接，手弧平焊（单面V形坡口）SHJ507Niφ4.0mmφ5.0mm123～18174～176182220～235——————5力学性能焊接接头力学性能试验结果见表11。表11焊接接头工艺评定力学性能2006钢结构焊接国际论坛论文集268IFWT2006钢结构焊接国际论坛焊缝拉伸接头拉伸−30℃V形缺口低温冲击吸收功AKV/J时效冲击AKVS/J序号报告编号接头最高硬度（HV）σs/MPaσb/MPaδ5（%）σs/Mpaσb/MPa断裂位置侧弯d＝a（180°）焊缝热影响区焊缝热影响区1YD-MD004—328347557029.0545—母材合格52471307616110315019215411228689965177237300223671072YD