铸钢与桥梁用结构钢焊接工法

铸钢与桥梁用结构钢焊接工法前言近年来,随着我国各类钢桥建造数量的不断增多,为适应地质条件、周围环境及美观设计的需要出现了各种异型的钢桥,同时对桥梁的结构用钢提出了更高的要求，如何保证不同钢材之间的焊接质量成为了一个新的技术难题。本工法以XX市XX城XX桥工程为载体，对铸钢与桥梁用结构钢的焊接工艺结合工程实践进行总结，可为同类型桥梁的设计和施工提供参考。XX市XX桥采用了世界上独一无二的“彩针型”独塔斜拉桥形式,桥塔与墩柱铰接、主梁与墩柱固结。主塔全长120米，共分三段，下塔和中塔为受力结构，上塔为装饰结构，下塔采用铸钢结构，材质为GS-20Mn5，中塔柱为Q345qd的三根厚壁圆管结构。铸钢与桥梁用结构钢的焊接在国内桥梁建设中尚没有可以借鉴的工艺，因此，为保证下塔柱铸钢件与中塔柱Q345qd的桥梁结构钢之间的焊接质量，进行了大量的焊接试验和焊接工艺的研究工作，确定了焊接工艺的主要工艺措施和预热温度，根据焊接工艺评定的检测结果，采用合理的接头设计和焊接焊接方法及焊接材料，并严格按照工艺要求，控制各项工艺参数，补偿收缩变形，减小焊接残余应力，通过合理的焊后热处理，通过各种试验和现场检测表明，焊接接头的强度满足施工要求和安全，获得了较为成功的焊接效果。《XX桥彩针型主塔及主墩施工技术研究报告》经XX市建设和交通委员会的鉴定，课题研究成果达到国际先进水平，其中认定在本工程中较好解决了铸钢与桥梁用结构钢的焊接技术难题。2工法特点2.1铸钢与桥梁结构用钢在桥梁建设中的焊接，在国内桥梁建设中首次采用，通过大量试验研究，形成一套合理的焊接工艺。2.2焊接难度大，要求高。铸钢下塔柱和钢管中塔柱均为主塔主要受力结构，且为高空中焊接作业，本工艺成功的解决了焊接的这一难题，确保了焊接质量。3适用范围本工法主要适用于铸钢件与桥梁结构钢之间的焊接，本工法中的焊接工艺对于铸钢与其它同等强度的钢材之间的焊接工艺具有借鉴和参照意义。4工艺原理对铸钢和桥梁结构钢两种不同材料的母材成分、化学性能、焊接性进行分析，选择合适的焊材和焊剂，根据结构特点、受力情况及现场施工操作性等状况确定合理的焊接坡口形式，并制作相应的焊接试件，进行试验分析，以此来确定两种材质焊接的最佳电流和电压，形成一套合理的焊接工艺。5施工工艺流程及操作要点5.1焊丝焊剂的选择针对母材成分、化学性能、焊接性及结构特点分析，选用焊接质量稳定、电弧热集中、焊后工件变形小、抗锈能力强的、抗裂性能好的焊丝焊剂。根据对母材的化学成分和力学分析结构形式，并结合焊接的特点，焊接时对于可采用自动焊接的部分采用的焊丝型号为φ4mmH08Mn2E，焊剂选用SJ101，采用埋弧自动焊接形式进行；对于采用自动焊不能完成时，选用J507Ni焊条进行手工焊接。在焊接前，首先制定焊接工艺指导书，并制作相应的焊接试件，检测合格后，根据焊接工艺指导书确定的具体焊接工艺参数进行施焊。5.2坡口形式考虑到桥塔受力形式和钢管焊接的特点以及钢管与铸钢件的焊接，并考虑到现场的操作性和施工进度要求，综合各板材的厚度，同时为了便于各种设备在焊接过程中能操作顺畅，在钢管内外两侧开K型坡口，反面清根双面焊接，如下图的坡口形式（t1为钢管，t2为铸钢）。图5-1这种坡口形式在按照焊接工艺评定指导书焊接完成后，送去作各项检测和试验，各项结果满足技术施工要求。5.3焊前准备5.3.1坡口清理将坡口及其边缘50mm范围内除去水、油、锈等污物，直至露出金属光泽。5.3.2焊前预热为改善焊接构件的焊接工艺性能，防止焊接区域金属的温度梯度过大，降低焊缝的冷却速度，减小焊接残余应力，利于焊缝中氢的析出，减少裂纹的产生，焊前应对焊接区域进行预热，但是预热温度不宜过高，否则会降低焊接街头的韧性。根据母材材质的不同，预热温度设定为：铸钢件焊接处250~300℃，钢管的及内部加劲肋处200~250℃。预热采用丙烷—氧气火焰加热。在钢管内部焊道两侧各200mm范围内采用耐高温,保温隔热效果好的硅酸铝保温棉进行保温。在焊道两侧距坡口边缘120mm范围内加热，要求将整个焊缝区域热透，加热完成后，对已加热且未能及时焊接部位进行保温。保温范围为焊缝中心每侧250mm双面保温。如下图2所示：图5-25.3.3焊缝收缩补偿在焊件结构的适当位置进行加热，使它产生于焊缝收缩方向相反的伸长变形。在焊缝冷却时，加热区的收缩方向与焊缝的收缩方向相同，抵消了部分在焊接过程中产生的收缩变形，从而达到减小内应力的目的。为此，我们选择在焊缝周围的钢板上，铸钢与钢管的连接处是沿圆周方向上取若干位置加热，在钢管与钢管之间连接处选取沿径向取若干位置加热，如下图所示。加热区域的尺寸为250~300mm，宽为120mm，加热温度与预热温度相同。图5-3铸钢与钢管加热区域5.4焊接方法5.4.1小热输入施焊为了不使焊缝过热，提高焊缝的抗裂能力，采用小热量输入的焊接方法。具体措施为：低电压、小电流、高速焊接；采用短段、短弧焊接；焊枪不摆动或者摆动幅度较小，以获得较窄的焊道；焊缝的熔深要浅。焊层厚度要求尽量薄。5.4.2逐步对称退焊和分段多层焊法将焊缝中的涉及的圆形焊道分层多段进行焊接，每段长度约为300~400mm，多层施焊，每层焊道都采用逐步对称退焊（如图5-4），以利于焊接应力的逐步释放。图5-4退焊焊接顺序示意图5.4.3焊缝锤击在焊接过程中，在热状态下，采用带有小圆弧面的小锤锤击焊缝金属表面，使得焊缝得以延展，以减小焊缝残余收缩应力。锤击应均匀适度，避免过分锤击产生裂纹。温度低于100℃时，禁止锤击。5.5焊接工艺参数根据上述的焊接方法和措施要求，控制焊接热输入，主要焊接工艺参数控制如下表：表5-1埋弧自动焊施焊工艺参数焊丝φ4mm焊剂电流（A）焊速（m/h）备注极性层温H08Mn2EESJ101650±1021±1首道直流反接＞100℃670±1021±1其余表5-2手工焊焊接工艺参数焊条）电流（A）电压（V）层温J507Ni130±1020~26＞100℃5.6焊后处理5.6.1焊缝表面处理为了避免焊缝表面出现应力集中现象，焊缝表面应圆滑过渡，不得出现咬边及弧坑等缺陷，并在焊后对焊缝表面进行打磨。5.6.2焊后加热焊后加热的目的是促使焊接接头中的氢溢出，防止产生延迟裂纹，加热温度与预热温度相同。恒温保持1h。5.6.3焊后保温为了保证焊件焊后的冷却速度，防止产生裂纹，焊后加热完成之后，采用50mm后的硅酸铝保温棉对焊道区域进行保温。5.7劳动力组织本工法采用的劳动力组织如下表所示：表5-3劳动力组织计划表序号工种人数备注1管理人员2现场管理及协调调2电焊工10焊接、矫正3电工2现场用电管理4测量工2网格拱标高控制制5技术员1方案制作、现场场指导6现场指挥1现场调度指挥7起重工1网格拱的起吊试试拼装6材料与设备6.1主要材料6.1.1钢材：铸钢材质为GS-20Mn5、桥梁用钢材质为Q345qD的钢管6.1.2焊接材料：埋弧焊接采用φ4mmH08Mn2E焊丝,焊剂SJ101；手工焊接焊条J507Ni。6.2机具设备本工程所使用的机具设备如下表所列：表6-1主要机具设备表设备或机械名称称规格型号单位数量用途埋弧自动焊机台2焊接手工电弧焊机台6焊接烘干机台3烘干焊材龙门吊车75t/18mm台1吊装超声波探伤仪PXUT-2111B台1焊缝检测磁粉探伤仪MT-3台1焊缝检测经纬仪TDJ2E台1测量定位全站仪徕卡TC1201台1测量定位7.1工程质量控制标准本工程所有钢板经过检测，检测结果应满足《低合金高强结构钢》（GB/T1591-94）和《焊接结构用低合金铸钢》DIN17182的相关规定。7.1.2焊接完成后，对其结构，形式进行检验，均符合《钢结构工程施工质量验收规范》（GB50205-2001）的相关规定。表7-1一、二级焊缝质量等级及缺陷分级焊缝质量等级一级二级内部缺陷超声波探伤评定等级ⅡⅢ检验等级B级B级探伤比例100%20%内部缺陷射线探伤评定等级ⅡⅢ检验等级AB级AB级探伤比例100%20%注：探伤比例的的计数方法法应按以下下原则确定定：（1）对工厂厂制作焊缝缝、应按每每条焊缝计计算百分比比、且探伤伤长度应不不小于200mmm，当焊缝缝长度不足足200mmm时，应对对整条焊缝缝进行探伤伤；（2）对现场场安装焊缝缝，应按同同一类型、同同一施焊条条件的焊缝缝条数计算算百分比，探探伤长度应应不小于200mmm，并应不不小于1条焊缝。7.2质量保证措施7.2.1严格按ISO9001：2000质量管理体系进行，建立健全质量保证组织体系，实行全过程质量控制以确保工程质量。7.2.2严格执行质量管理制度，认真按有关规范和设计图纸施工。7.2.3焊接工作的质量控制1.焊接应按焊接工艺评定报告的参数和编制的钢结构加工工艺进行施焊。2.对焊缝首先进行外观检查，然后再按照相关规范要求进行相关的探伤检查。7.2.4严格按照检验试验计划进行各种检验和试验。8安全措施8.1搞好安全技术交底，并做好记录，针对铸钢和桥梁用结构钢焊接工艺的特点，向操作人员提出每一步操作的安全技术要求。8.2所有现场人员必须佩戴安全帽，高空作业人员必须佩戴安全带。8.3加强对现场各种车辆的指挥协调。8.4遇到大风、大雨等不利施工的天气时，要停止操作，待天气好转时继续施工。9环保措施9.1焊接方法选择时，焊接条件允许的前提下优先选用自动化程度高的焊接方法进行焊接；选用低尘低毒性焊接材料，以降低电焊烟尘的浓度和毒性；改善焊工的作业条件，减少电焊烟尘污染。9.2选择合理的切割、矫正设备，控制加工制作过程的噪声到合理的范围。9.3对作业人员配备必需的个人防护用品，同时进行必要的职业安全卫生知识教育，提高其职业卫生意识，降低职业病发病率。10效益分析利用本工法进行XX市XX城XX桥工程中钢塔铸钢下塔柱和中塔柱钢塔的焊接。XX桥主塔结构新颖，结构刚度较大，焊接空间狭小，焊接难度大，采用本工法中的工艺较好的解决了铸钢件与桥梁结构钢的焊接难题，确保了焊接质量。同时本工法的工艺也弥补了国内桥梁建设中铸钢件与桥梁结构钢焊接连接的空白，对同类工程的施工都具有借鉴和指导意义，具有明显的社会效益。11应用实例XX市XX城XXX桥工程程。11.1工程程概况XX桥工程采用用了两个“彩针形”独塔斜拉拉桥跨越独独流减河两两侧的深槽槽，全长12296米，主跨最最大跨径为为138米，主塔总总高度为1120米，与水平平面成78°，共分3段，下塔塔柱为铸钢钢结构，长长17米，中塔柱柱高72米，由三根根外径为11200mmm厚度为为50mmm的钢管组成成，上塔柱柱高31米，为无缝缝钢管拼接接而成的装装饰性结构构。下塔柱柱铸钢件的的材质为GGS-200Mn5的铸钢，中塔塔柱材质为Q3455qD。图11