鑄鋼與橋梁用結(jié)構(gòu)鋼焊接工法

鑄鋼與橋梁用結(jié)構(gòu)鋼焊接工法前言近年來(lái),隨著我國(guó)各類鋼橋建造數(shù)量的不斷增多,為適應(yīng)地質(zhì)條件、周圍環(huán)境及美觀設(shè)計(jì)的需要出現(xiàn)了各種異型的鋼橋,同時(shí)對(duì)橋梁的結(jié)構(gòu)用鋼提出了更高的要求，如何保證不同鋼材之間的焊接質(zhì)量成為了一個(gè)新的技術(shù)難題。本工法以XX市XX城XX橋工程為載體，對(duì)鑄鋼與橋梁用結(jié)構(gòu)鋼的焊接工藝結(jié)合工程實(shí)踐進(jìn)行總結(jié)，可為同類型橋梁的設(shè)計(jì)和施工提供參考。XX市XX橋采用了世界上獨(dú)一無(wú)二的“彩針型”獨(dú)塔斜拉橋形式,橋塔與墩柱鉸接、主梁與墩柱固結(jié)。主塔全長(zhǎng)120米，共分三段，下塔和中塔為受力結(jié)構(gòu)，上塔為裝飾結(jié)構(gòu)，下塔采用鑄鋼結(jié)構(gòu)，材質(zhì)為GS-20Mn5，中塔柱為Q345qd的三根厚壁圓管結(jié)構(gòu)。鑄鋼與橋梁用結(jié)構(gòu)鋼的焊接在國(guó)內(nèi)橋梁建設(shè)中尚沒有可以借鑒的工藝，因此，為保證下塔柱鑄鋼件與中塔柱Q345qd的橋梁結(jié)構(gòu)鋼之間的焊接質(zhì)量，進(jìn)行了大量的焊接試驗(yàn)和焊接工藝的研究工作，確定了焊接工藝的主要工藝措施和預(yù)熱溫度，根據(jù)焊接工藝評(píng)定的檢測(cè)結(jié)果，采用合理的接頭設(shè)計(jì)和焊接焊接方法及焊接材料，并嚴(yán)格按照工藝要求，控制各項(xiàng)工藝參數(shù)，補(bǔ)償收縮變形，減小焊接殘余應(yīng)力，通過合理的焊后熱處理，通過各種試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)表明，焊接接頭的強(qiáng)度滿足施工要求和安全，獲得了較為成功的焊接效果?！禭X橋彩針型主塔及主墩施工技術(shù)研究報(bào)告》經(jīng)XX市建設(shè)和交通委員會(huì)的鑒定，課題研究成果達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，其中認(rèn)定在本工程中較好解決了鑄鋼與橋梁用結(jié)構(gòu)鋼的焊接技術(shù)難題。2工法特點(diǎn)2.1鑄鋼與橋梁結(jié)構(gòu)用鋼在橋梁建設(shè)中的焊接，在國(guó)內(nèi)橋梁建設(shè)中首次采用，通過大量試驗(yàn)研究，形成一套合理的焊接工藝。2.2焊接難度大，要求高。鑄鋼下塔柱和鋼管中塔柱均為主塔主要受力結(jié)構(gòu)，且為高空中焊接作業(yè)，本工藝成功的解決了焊接的這一難題，確保了焊接質(zhì)量。3適用范圍本工法主要適用于鑄鋼件與橋梁結(jié)構(gòu)鋼之間的焊接，本工法中的焊接工藝對(duì)于鑄鋼與其它同等強(qiáng)度的鋼材之間的焊接工藝具有借鑒和參照意義。4工藝原理對(duì)鑄鋼和橋梁結(jié)構(gòu)鋼兩種不同材料的母材成分、化學(xué)性能、焊接性進(jìn)行分析，選擇合適的焊材和焊劑，根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、受力情況及現(xiàn)場(chǎng)施工操作性等狀況確定合理的焊接坡口形式，并制作相應(yīng)的焊接試件，進(jìn)行試驗(yàn)分析，以此來(lái)確定兩種材質(zhì)焊接的最佳電流和電壓，形成一套合理的焊接工藝。5施工工藝流程及操作要點(diǎn)5.1焊絲焊劑的選擇針對(duì)母材成分、化學(xué)性能、焊接性及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析，選用焊接質(zhì)量穩(wěn)定、電弧熱集中、焊后工件變形小、抗銹能力強(qiáng)的、抗裂性能好的焊絲焊劑。根據(jù)對(duì)母材的化學(xué)成分和力學(xué)分析結(jié)構(gòu)形式，并結(jié)合焊接的特點(diǎn)，焊接時(shí)對(duì)于可采用自動(dòng)焊接的部分采用的焊絲型號(hào)為φ4mmH08Mn2E，焊劑選用SJ101，采用埋弧自動(dòng)焊接形式進(jìn)行；對(duì)于采用自動(dòng)焊不能完成時(shí)，選用J507Ni焊條進(jìn)行手工焊接。在焊接前，首先制定焊接工藝指導(dǎo)書，并制作相應(yīng)的焊接試件，檢測(cè)合格后，根據(jù)焊接工藝指導(dǎo)書確定的具體焊接工藝參數(shù)進(jìn)行施焊。5.2坡口形式考慮到橋塔受力形式和鋼管焊接的特點(diǎn)以及鋼管與鑄鋼件的焊接，并考慮到現(xiàn)場(chǎng)的操作性和施工進(jìn)度要求，綜合各板材的厚度，同時(shí)為了便于各種設(shè)備在焊接過程中能操作順暢，在鋼管內(nèi)外兩側(cè)開K型坡口，反面清根雙面焊接，如下圖的坡口形式（t1為鋼管，t2為鑄鋼）。圖5-1這種坡口形式在按照焊接工藝評(píng)定指導(dǎo)書焊接完成后，送去作各項(xiàng)檢測(cè)和試驗(yàn)，各項(xiàng)結(jié)果滿足技術(shù)施工要求。5.3焊前準(zhǔn)備5.3.1坡口清理將坡口及其邊緣50mm范圍內(nèi)除去水、油、銹等污物，直至露出金屬光澤。5.3.2焊前預(yù)熱為改善焊接構(gòu)件的焊接工藝性能，防止焊接區(qū)域金屬的溫度梯度過大，降低焊縫的冷卻速度，減小焊接殘余應(yīng)力，利于焊縫中氫的析出，減少裂紋的產(chǎn)生，焊前應(yīng)對(duì)焊接區(qū)域進(jìn)行預(yù)熱，但是預(yù)熱溫度不宜過高，否則會(huì)降低焊接街頭的韌性。根據(jù)母材材質(zhì)的不同，預(yù)熱溫度設(shè)定為：鑄鋼件焊接處250~300℃，鋼管的及內(nèi)部加勁肋處200~250℃。預(yù)熱采用丙烷—氧氣火焰加熱。在鋼管內(nèi)部焊道兩側(cè)各200mm范圍內(nèi)采用耐高溫,保溫隔熱效果好的硅酸鋁保溫棉進(jìn)行保溫。在焊道兩側(cè)距坡口邊緣120mm范圍內(nèi)加熱，要求將整個(gè)焊縫區(qū)域熱透，加熱完成后，對(duì)已加熱且未能及時(shí)焊接部位進(jìn)行保溫。保溫范圍為焊縫中心每側(cè)250mm雙面保溫。如下圖2所示：圖5-25.3.3焊縫收縮補(bǔ)償在焊件結(jié)構(gòu)的適當(dāng)位置進(jìn)行加熱，使它產(chǎn)生于焊縫收縮方向相反的伸長(zhǎng)變形。在焊縫冷卻時(shí)，加熱區(qū)的收縮方向與焊縫的收縮方向相同，抵消了部分在焊接過程中產(chǎn)生的收縮變形，從而達(dá)到減小內(nèi)應(yīng)力的目的。為此，我們選擇在焊縫周圍的鋼板上，鑄鋼與鋼管的連接處是沿圓周方向上取若干位置加熱，在鋼管與鋼管之間連接處選取沿徑向取若干位置加熱，如下圖所示。加熱區(qū)域的尺寸為250~300mm，寬為120mm，加熱溫度與預(yù)熱溫度相同。圖5-3鑄鋼與鋼管加熱區(qū)域5.4焊接方法5.4.1小熱輸入施焊為了不使焊縫過熱，提高焊縫的抗裂能力，采用小熱量輸入的焊接方法。具體措施為：低電壓、小電流、高速焊接；采用短段、短弧焊接；焊槍不擺動(dòng)或者擺動(dòng)幅度較小，以獲得較窄的焊道；焊縫的熔深要淺。焊層厚度要求盡量薄。5.4.2逐步對(duì)稱退焊和分段多層焊法將焊縫中的涉及的圓形焊道分層多段進(jìn)行焊接，每段長(zhǎng)度約為300~400mm，多層施焊，每層焊道都采用逐步對(duì)稱退焊（如圖5-4），以利于焊接應(yīng)力的逐步釋放。圖5-4退焊焊接順序示意圖5.4.3焊縫錘擊在焊接過程中，在熱狀態(tài)下，采用帶有小圓弧面的小錘錘擊焊縫金屬表面，使得焊縫得以延展，以減小焊縫殘余收縮應(yīng)力。錘擊應(yīng)均勻適度，避免過分錘擊產(chǎn)生裂紋。溫度低于100℃時(shí)，禁止錘擊。5.5焊接工藝參數(shù)根據(jù)上述的焊接方法和措施要求，控制焊接熱輸入，主要焊接工藝參數(shù)控制如下表：表5-1埋弧自動(dòng)焊施焊工藝參數(shù)焊絲φ4mm焊劑電流（A）焊速（m/h）備注極性層溫H08Mn2EESJ101650±1021±1首道直流反接＞100℃670±1021±1其余表5-2手工焊焊接工藝參數(shù)焊條）電流（A）電壓（V）層溫J507Ni130±1020~26＞100℃5.6焊后處理5.6.1焊縫表面處理為了避免焊縫表面出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，焊縫表面應(yīng)圓滑過渡，不得出現(xiàn)咬邊及弧坑等缺陷，并在焊后對(duì)焊縫表面進(jìn)行打磨。5.6.2焊后加熱焊后加熱的目的是促使焊接接頭中的氫溢出，防止產(chǎn)生延遲裂紋，加熱溫度與預(yù)熱溫度相同。恒溫保持1h。5.6.3焊后保溫為了保證焊件焊后的冷卻速度，防止產(chǎn)生裂紋，焊后加熱完成之后，采用50mm后的硅酸鋁保溫棉對(duì)焊道區(qū)域進(jìn)行保溫。5.7勞動(dòng)力組織本工法采用的勞動(dòng)力組織如下表所示：表5-3勞動(dòng)力組織計(jì)劃表序號(hào)工種人數(shù)備注1管理人員2現(xiàn)場(chǎng)管理及協(xié)調(diào)調(diào)2電焊工10焊接、矯正3電工2現(xiàn)場(chǎng)用電管理4測(cè)量工2網(wǎng)格拱標(biāo)高控制制5技術(shù)員1方案制作、現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)指導(dǎo)6現(xiàn)場(chǎng)指揮1現(xiàn)場(chǎng)調(diào)度指揮7起重工1網(wǎng)格拱的起吊試試拼裝6材料與設(shè)備6.1主要材料6.1.1鋼材：鑄鋼材質(zhì)為GS-20Mn5、橋梁用鋼材質(zhì)為Q345qD的鋼管6.1.2焊接材料：埋弧焊接采用φ4mmH08Mn2E焊絲,焊劑SJ101；手工焊接焊條J507Ni。6.2機(jī)具設(shè)備本工程所使用的機(jī)具設(shè)備如下表所列：表6-1主要機(jī)具設(shè)備表設(shè)備或機(jī)械名稱稱規(guī)格型號(hào)單位數(shù)量用途埋弧自動(dòng)焊機(jī)臺(tái)2焊接手工電弧焊機(jī)臺(tái)6焊接烘干機(jī)臺(tái)3烘干焊材龍門吊車75t/18mm臺(tái)1吊裝超聲波探傷儀PXUT-2111B臺(tái)1焊縫檢測(cè)磁粉探傷儀MT-3臺(tái)1焊縫檢測(cè)經(jīng)緯儀TDJ2E臺(tái)1測(cè)量定位全站儀徠卡TC1201臺(tái)1測(cè)量定位7.1工程質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)本工程所有鋼板經(jīng)過檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果應(yīng)滿足《低合金高強(qiáng)結(jié)構(gòu)鋼》（GB/T1591-94）和《焊接結(jié)構(gòu)用低合金鑄鋼》DIN17182的相關(guān)規(guī)定。7.1.2焊接完成后，對(duì)其結(jié)構(gòu)，形式進(jìn)行檢驗(yàn)，均符合《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》（GB50205-2001）的相關(guān)規(guī)定。表7-1一、二級(jí)焊縫質(zhì)量等級(jí)及缺陷分級(jí)焊縫質(zhì)量等級(jí)一級(jí)二級(jí)內(nèi)部缺陷超聲波探傷評(píng)定等級(jí)ⅡⅢ檢驗(yàn)等級(jí)B級(jí)B級(jí)探傷比例100%20%內(nèi)部缺陷射線探傷評(píng)定等級(jí)ⅡⅢ檢驗(yàn)等級(jí)AB級(jí)AB級(jí)探傷比例100%20%注：探傷比例的的計(jì)數(shù)方法法應(yīng)按以下下原則確定定：（1）對(duì)工廠廠制作焊縫縫、應(yīng)按每每條焊縫計(jì)計(jì)算百分比比、且探傷傷長(zhǎng)度應(yīng)不不小于200mmm，當(dāng)焊縫縫長(zhǎng)度不足足200mmm時(shí)，應(yīng)對(duì)對(duì)整條焊縫縫進(jìn)行探傷傷；（2）對(duì)現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)安裝焊縫縫，應(yīng)按同同一類型、同同一施焊條條件的焊縫縫條數(shù)計(jì)算算百分比，探探傷長(zhǎng)度應(yīng)應(yīng)不小于200mmm，并應(yīng)不不小于1條焊縫。7.2質(zhì)量保證措施7.2.1嚴(yán)格按ISO9001：2000質(zhì)量管理體系進(jìn)行，建立健全質(zhì)量保證組織體系，實(shí)行全過程質(zhì)量控制以確保工程質(zhì)量。7.2.2嚴(yán)格執(zhí)行質(zhì)量管理制度，認(rèn)真按有關(guān)規(guī)范和設(shè)計(jì)圖紙施工。7.2.3焊接工作的質(zhì)量控制1.焊接應(yīng)按焊接工藝評(píng)定報(bào)告的參數(shù)和編制的鋼結(jié)構(gòu)加工工藝進(jìn)行施焊。2.對(duì)焊縫首先進(jìn)行外觀檢查，然后再按照相關(guān)規(guī)范要求進(jìn)行相關(guān)的探傷檢查。7.2.4嚴(yán)格按照檢驗(yàn)試驗(yàn)計(jì)劃進(jìn)行各種檢驗(yàn)和試驗(yàn)。8安全措施8.1搞好安全技術(shù)交底，并做好記錄，針對(duì)鑄鋼和橋梁用結(jié)構(gòu)鋼焊接工藝的特點(diǎn)，向操作人員提出每一步操作的安全技術(shù)要求。8.2所有現(xiàn)場(chǎng)人員必須佩戴安全帽，高空作業(yè)人員必須佩戴安全帶。8.3加強(qiáng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)各種車輛的指揮協(xié)調(diào)。8.4遇到大風(fēng)、大雨等不利施工的天氣時(shí)，要停止操作，待天氣好轉(zhuǎn)時(shí)繼續(xù)施工。9環(huán)保措施9.1焊接方法選擇時(shí)，焊接條件允許的前提下優(yōu)先選用自動(dòng)化程度高的焊接方法進(jìn)行焊接；選用低塵低毒性焊接材料，以降低電焊煙塵的濃度和毒性；改善焊工的作業(yè)條件，減少電焊煙塵污染。9.2選擇合理的切割、矯正設(shè)備，控制加工制作過程的噪聲到合理的范圍。9.3對(duì)作業(yè)人員配備必需的個(gè)人防護(hù)用品，同時(shí)進(jìn)行必要的職業(yè)安全衛(wèi)生知識(shí)教育，提高其職業(yè)衛(wèi)生意識(shí)，降低職業(yè)病發(fā)病率。10效益分析利用本工法進(jìn)行XX市XX城XX橋工程中鋼塔鑄鋼下塔柱和中塔柱鋼塔的焊接。XX橋主塔結(jié)構(gòu)新穎，結(jié)構(gòu)剛度較大，焊接空間狹小，焊接難度大，采用本工法中的工藝較好的解決了鑄鋼件與橋梁結(jié)構(gòu)鋼的焊接難題，確保了焊接質(zhì)量。同時(shí)本工法的工藝也彌補(bǔ)了國(guó)內(nèi)橋梁建設(shè)中鑄鋼件與橋梁結(jié)構(gòu)鋼焊接連接的空白，對(duì)同類工程的施工都具有借鑒和指導(dǎo)意義，具有明顯的社會(huì)效益。11應(yīng)用實(shí)例XX市XX城XXX橋工程程。11.1工程程概況XX橋工程采用用了兩個(gè)“彩針形”獨(dú)塔斜拉拉橋跨越獨(dú)獨(dú)流減河兩兩側(cè)的深槽槽，全長(zhǎng)12296米，主跨最最大跨徑為為138米，主塔總總高度為1120米，與水平平面成78°，共分3段，下塔塔柱為鑄鋼鋼結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)長(zhǎng)17米，中塔柱柱高72米，由三根根外徑為11200mmm厚度為為50mmm的鋼管組成成，上塔柱柱高31米，為無(wú)縫縫鋼管拼接接而成的裝裝飾性結(jié)構(gòu)構(gòu)。下塔柱柱鑄鋼件的的材質(zhì)為GGS-200Mn5的鑄鋼，中塔塔柱材質(zhì)為Q3455qD。圖11