中铁一局集团有限公司勘察设计分公司 陕西西安 710054
摘要：通过对高强度结构钢厚板焊接工艺评定试验分析，得出Q390C钢材在焊接过程中存在焊接质量问题的原因，并对高强度结构钢厚板焊接工艺进行了深入研究，运用于渝黔铁路夜郎河大桥钢结构制造安装过程中，焊接质量显著提高，同时提高了工程质量。
关键词：厚板焊接；焊接工艺；焊接质量；残余应力
1 工程概况
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图1 夜郎河特大桥劲性骨架三维结构
渝黔铁路夜郎河特大桥为上承式钢管劲性骨架拱桥，如图一所示，其中劲性骨架主弦管材质为Q390C，壁厚为30mm，重达5500t。外形结构为空间双曲线结构，熔透焊缝比例高。劲性骨架的加工制造是夜郎河大桥钢结构制造加工的重点和难点，而夜郎河大桥业主对钢结构焊缝质量100%检查，并且超声波和X射线探伤合格率要求均为100%，因此对Q390C高强度结构钢焊接质量为首要控制环节。
2 厚板焊接难点及控制要点
夜郎河大桥劲性骨架主弦管材质为Q390C，壁厚达30mm，由1-2.5m长钢管以折带曲拼接而成，钢管为钢板卷管焊接而成，其对接直焊缝和环形焊缝均为全熔透焊缝。焊接内应力和焊接变形是厚板焊接过程中的控制重点及控制难点，焊后易出现焊接裂纹、气孔、夹渣、未熔合、未焊透、焊缝结晶组织粗大强度低、韧性下降、焊缝金属延伸率小、焊接残余应力大等问题[1]。厚板焊接过程控制主要从控制焊接环境温度、湿度、焊前预热温度、焊缝及两侧预热范围、焊接电压电流、焊接速度、焊缝层（道）间温度、焊缝冷却速度等方面入手。
3 焊接工艺评定试验
3.1 焊接工艺评定试验试板
焊评试板材质为Q390C高强度结构钢，板厚达30mm，由重庆钢铁股份有限公司参照《碳素结构钢和低合金结构钢热轧钢板和钢带》（GB/T3274-2007）技术条件供货，Q390C理化性能如下表1和表2所示。
表1 Q390C试板化学成分.png)
表2 Q390C试板力学性能.png)
3.2 焊接坡口设计
焊缝焊接坡口形式与焊接内应力、焊接变形息息相关，即使是相同的坡口形式，坡口角度的大小也会对焊缝质量的好坏产生一定的影响。焊接坡口角度太小，导致焊缝金属填充量小、成形系数小，从而形成窄而深的焊缝，焊缝中心易形成较为粗大的柱状晶体，增加焊缝热裂纹出现的机率；焊接坡口角度过大，导致焊缝金属填充量大，从而产生较大的残余内应力，以及焊接变形过大等问题[2]。经过大量工程实践和优化后，采用火焰切割机将焊评试板加工成带钝边的单面V型坡口，用打磨机打磨平整并清理干净，背面帖陶瓷衬垫，有利于减小焊接工作量，并保证焊接质量。
3.3 焊材选用
根据我公司以往工程实际应用并按等强匹配原则，工厂焊接焊缝选用CHW-S3Q（Φ4.0mm）的埋弧焊丝，配SJ101Q焊剂；焊丝化学成份及熔敷金属力学性能应满足表3要求。工地拼装焊接采用药芯焊丝CO2气保焊，药芯焊丝为CHT71Ni（Φ1.2mm）；CHT71Ni焊丝熔敷金属化学成份和力学性能应符合表4要求。
表3 CHW-S3Q焊丝化学成份、熔敷金属力学性能（配合焊剂SJ101Q）.png)
表4 CHT71Ni焊丝熔敷金属化学成份、力学性能.png)
3.4 焊评试板焊接
焊接前彻底清理焊评试板待焊区域，去除焊接坡口及周边范围内的油污、铁锈及其他杂物，工厂焊接采用全自动埋弧焊，工地焊接采用CO2气保焊，焊接方法和焊接参数如表5 所示。全自动埋弧焊需在距设计焊缝端部80mm以外的引板上起弧和熄弧。全自动埋弧焊焊接过程中不应断弧，如有断弧则必须将停弧处用碳弧气刨刨成 1：5斜坡，并搭接50mm再引弧施焊，焊后搭接处应修磨匀顺。工地焊接采用CO2气保焊，焊接工艺评定试板焊接选用直流电源，采用反极性连结，当焊接为多道焊时应将上一道焊缝熔渣清理干净，并检查五熔渣、无裂纹等缺陷后再继续下一道焊接。焊前预热温度与道间温度如下表6所示。
表5 焊接方法和焊接参数
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表6 焊前预热及道间温度.png)
3.5 焊评试板焊缝检测
焊缝检测执行《铁路钢桥制造规范》（TB10212-2009）和设计文件要求。
所有试件焊接后均应经焊缝外观检查和内部超声波探伤。焊缝外观形状良好，无裂纹、气孔、咬边、未填满弧坑等缺陷。超声波探伤检测必须在焊接完成24小时后进行，超声波检测应符合《钢焊缝超声波探伤方法和结果分级》（GB11345-89）质量要求。超声波检测合格后，还须对30%数量的对接接头进行射线探伤检测，探伤范围为焊缝通长，射线探伤检测符合《金属熔化焊焊接接头射线照相》（GB3323-2005）规定的质量要求。
3.6 焊接工艺评定试验结果
焊后48h对焊评试板焊缝进行外观检测、超声波探伤检测和射线检测。检测合格后，按照国标GB/T 2650～2652-2008、GB 226-1991对试板进行接头拉伸、焊缝金属拉伸、低温冲击试验、侧弯、接头硬度和宏观断面酸蚀试验。焊接接头拉伸、焊缝金属拉伸、低温冲击试验结果如表7所示，接头侧弯、接头硬度和断面酸蚀试验结果如表8所示，焊接接头宏观断面酸蚀（见图 2）。
表7 接头拉伸、焊缝金属拉伸、低温冲击试验结果.png)
表8 接头侧弯、接头硬度和断面酸蚀试验结果.png)
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图2-1 工厂接头宏观断面酸蚀照片
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图2-1 工地接头宏观断面酸蚀照片
4 小结
通过对高强度结构钢厚板焊接工艺进行研究，厚板焊接工艺评定试验按拟定的焊接方法、焊接材料、焊接设备、焊接工艺参数和技术条件，并结合现场实际情况进行施焊。经对焊评试件的接头拉伸、焊缝金属拉伸、接头冲击和侧弯、接头硬度和宏观断面酸蚀等理化试验，各项力学性能试验数据和相关试验结果均符合设计文件和GB50661-2011《钢结构焊接规范》的相关要求，拟定的焊接方法、焊接材料、焊接设备、焊接工艺参数和技术条件满足夜郎河特大桥钢结构焊接技术要求。同时通过对高强度结构钢厚板焊接工艺研究，得出以下结论：
1）厚板焊接过程中填充熔敷金属量大、焊接时间长、焊接残余应力大，焊后变形严重。施焊过程中，易产生焊接热裂纹与冷裂纹。
2）厚板在焊接前必须进行预热，因为厚板在焊接前板温较低，在开始焊时，焊接电弧的温度可达1250～1300℃，在板温骤变的情况下，焊缝热影响区极易产生马氏体组织，使得焊缝金属变脆，导致冷裂纹出现的几率增加。
3）厚板焊接过程中，严禁摆宽道焊接，多层多道焊是必须坚持的一个工艺原则。原因是厚板焊缝的焊接坡口大，单道焊缝不能将截面内的坡口填满，摆宽道焊接虽然焊接效率大大提高，但是会产生严重的焊接质量问题，容易引起焊缝开裂和内裂纹的发生。多层多道焊的优点是：前道焊缝相对于后道焊缝来说是一个“预热”的过程；后道焊缝对前道焊缝相当于一个“后热处理”的过程，有效地改善了焊缝热影响区内的晶体组织，减小焊缝残余应力，对提高焊接质量有一定的好处。
4）防止焊接应力和焊接变形的最有效的方法之一就是合理安排焊接顺序，选。根据焊接方法的不同，制定差异化的焊接顺序，埋弧焊自动焊一般采用逆向法、退步法；CO2气保焊采用对称法、分散均匀法；“分散、对称、均匀”是安排焊接顺序的指导方针。
5）厚板焊接时产生瞬时应力，焊后产生残余应力，当残余应力大到一定的程度时，会导致焊接变形的产生，这是焊接过程的客观规律。在厚板焊接过程中一是要控制焊缝焊接质量，二是控制构件变形，对于板材厚、刚度大的构件，虽然焊接残余应力变形相对较小，但构建会产生巨大的拉应力，容易产生内裂纹缺陷，即使未产生裂纹的情况下，构件在外力荷载作用下往往会导致失稳、整体变形甚至破坏，因此焊接应力的控制与消除是焊接质量控制的关键。
参考文献：
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