耐候橋梁鋼焊接關鍵技術及應用

馬立朋，高建忠，徐向軍

中鐵山橋集團有限公司 河北秦皇島 066205

1 序言

近年來國內正在積極推進耐候鋼橋梁建設，采用耐候鋼制造橋梁，可以免涂裝使用，在滿足節能環保要求的同時，大大降低橋梁全壽命期成本。中國鐵道學會理事長、中國工程院院士盧春房分析：采用耐候橋梁鋼建造鋼橋，盡管初期成本增加約5%，但對比普通橋梁鋼加涂裝使用（按3次涂裝維護計算）分析，40年使用期限內涂裝鋼橋的總費用超過耐候鋼橋總費用的2倍。

耐候鋼是在普通鋼材基礎上，添加了Cr、Ni、Cu等微量合金元素，隨著合金元素含量的增加，鋼材焊接性有所降低。耐候橋梁鋼焊縫是鑄態組織，沒有后續熱處理或軋制過程，導致接頭的力學性能和耐腐蝕性能等不同于母材，往往會成為鋼橋結構中的薄弱環節。在耐候鋼橋制造中，根據耐候鋼的種類和使用條件，選擇合適的焊接材料和合理的焊接工藝，使焊接接頭的力學性能、耐腐蝕性能與母材相匹配[1，2]，是耐候鋼橋梁結構安全性與耐久性的重要保障。

耐候鋼橋推廣有兩大障礙：一是橋梁焊接標準要求高，無匹配的耐候鋼焊接材料；二是耐候橋梁鋼焊接性較差，容易產生焊接裂紋等缺陷。中鐵山橋作為鋼橋行業的先行者，從2010年開始先后對345～500MPa級耐候橋梁鋼及耐海洋氣候橋梁鋼的焊接技術進行了研究，形成了成套的耐候橋梁鋼焊接關鍵技術，并進行了推廣應用。

2 耐候橋梁鋼焊接關鍵技術

2.1 匹配的耐候橋梁鋼焊接材料

我國耐候鋼橋焊接標準高于國內其他行業標準和國外耐候鋼橋標準，由表1可看出，我國耐候鋼橋標準對焊接接頭的要求在接頭低溫沖擊性能、焊縫金屬耐蝕性能要求等方面明顯高于其他標準。

表1 國內外同級別耐候鋼橋標準要求對比

美國AWS D1.5：2020《橋梁焊接規范》只對345MPa級耐候鋼的選材給出了要求，埋弧焊絲、氣體保護焊用實芯焊絲、藥芯焊絲應符合AWS A5.23、AWS A5.28和AWS A5.29中的熔敷金屬符合Ni1、Ni2等化學成分的要求，沒有對焊縫金屬的耐大氣腐蝕性指數做出要求，見表2。

表2 AWS D1.5《橋梁焊接規范》對用于裸露免涂裝345W（50W）和HPS345W（HPS50W）級鋼焊接材料要求

歐標EN1090-2：2018《鋼結構和鋁結構施工 第二部分：鋼結構用技術要求》對耐候鋼焊接材料的要求是保證焊縫有不低于母材的耐候性能，并給出了幾種焊接材料選擇方案，但同樣沒有對焊縫金屬的耐大氣腐蝕性指數做出要求，見表3。

表3 EN1090-2—2018《鋼結構和鋁結構施工 第二部分：鋼結構用技術要求》對耐候鋼焊接材料的要求

針對國內耐候橋梁鋼焊接材料要滿足接頭低溫沖擊韌度和焊縫金屬耐候性能要求，同時還要具有良好的焊接工藝性能。中鐵山橋與燕山大學、焊接材料廠家合作，通過耐候焊接材料匹配性試驗確定了最優的耐候橋梁鋼焊接材料方案，最終確定了Cr、Ni、Cu合金系耐候焊接材料，合理調配焊接材料中C、Si、Mn、Cu、Cr、Ni等元素含量，滿足焊縫力學性能、耐候性與母材匹配的要求。同時提出耐候焊接材料熔敷金屬耐大氣腐蝕性指數I≥6.2，使得焊縫金屬的耐候性優于母材（I≥6.0），滿足免涂裝使用要求。另外，對焊接材料擴散氫含量進行嚴格控制，保證焊縫焊接質量。

耐候橋梁鋼焊接材料焊接工藝性能較差，為了提高焊縫金屬低溫沖擊韌度要求和耐候性，加入了很多合金元素，導致熔池中合金元素含量高，鐵液流動性差，容易產生氣孔、夾渣等焊接缺陷。為了改善耐候鋼焊縫熔池流動性，提高焊縫的冶金質量，在焊絲中加入Si、RE元素，通過控制焊絲合金元素含量：wCa+Zr+RE≥0.02wSi+Cr+Ni、wCa+Re≥0.02wSi+Cr+Ni，解決了因Cr、Ni等合金元素過渡到焊縫而引起的熔池黏度高、流動性差的問題，提高了焊縫冶金質量[3，4]。

通過大量的耐候焊接材料匹配性試驗，確定了具體項目的耐候焊接材料技術條件。以我國首座大跨度全焊接免涂裝耐候鋼公路橋——官廳水庫公路特大橋為例（見圖1）。該橋采用Q345qENH鋼，結合項目要求制定了官廳水庫公路橋耐候焊接材料技術條件：要求通過熔敷金屬化學成分來計算耐候焊接材料的耐大氣腐蝕指數I（I≥6.2），熔敷金屬 －40℃沖擊吸收能量≥41J，氣體保護焊絲、埋弧焊劑熔敷金屬擴散氫含量≤5mL/100g（水銀法或熱導法）等。可以滿足耐候橋梁鋼在低溫環境下免涂裝使用要求，提高了鋼橋的安全性和耐久性。根據不同焊接方法和自動化程度（氣體保護焊、埋弧焊、機器人焊接），優選不同類型的焊接材料組合使用，最大程度地實現智能化、自動化焊接，提高生產效率，滿足工廠量產的需要[5，6]。

圖1 官廳水庫公路特大橋焊接

2.2 多元素最優組合的耐候橋梁鋼焊接工藝

因為耐候橋梁鋼中添加了Cr、Ni、Cu等耐候性元素，所以碳當量高，焊接性比普通橋梁鋼差，容易產生焊接裂紋、氣孔、夾渣等缺陷。按照CB/T 4364—2013《斜Y型坡口焊接裂紋試驗方法》的規定，通過試驗確定不同厚度鋼板的焊接預熱溫度，為了提高焊縫金屬流動性，比普通橋梁鋼提高預熱溫度和層間溫度20～40℃，使熔池液態停留時間延長，夾雜物及氣孔更易于排出，焊縫裂紋敏感性降低，有效地降低了多向散熱條件下角焊縫產生裂紋的風險。在焊接過程中嚴格控制預熱溫度和道間溫度，可以有效地提高焊縫的冶金質量。

由于耐候橋梁鋼對熱輸入敏感，焊接工藝窗口窄，故焊接熱輸入過大會導致焊接熱影響區局部粗晶粒脆化傾向急劇增加。通過物理模擬技術確定焊接熱輸入控制范圍，保證耐候橋梁鋼焊接熱影響區的性能。以我國第一座F級耐候橋梁鋼橋——中俄黑河大橋為例，先采用Gleeble3500試驗機模擬焊接熱影響區粗晶區組織，相應的熱循環參數包括：焊前不預熱，最高加熱溫度1350℃，焊接熱輸入分別為20kJ/cm、30kJ/cm、40kJ/cm和50kJ/cm，終止冷卻溫度100℃（見圖2）。然后按照GB/T 229—2007《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法》規定測試各模擬焊接粗晶熱影響區－60℃沖擊吸收能量，對應的測試結果分別是124J、82J、52J和23J，表明當焊接熱輸入超過40kJ/cm時，所述耐候鋼焊接熱影響區的局部粗晶脆化傾向急劇增加。符合焊接熱影響區（熔合線外1mm處）－60℃沖擊吸收能量≥47J的焊接熱輸入控制為≤40kJ/cm[7，8]。結合焊接工藝評定試驗結果，確定中俄黑河大橋焊接工藝窗口，氣體保護焊熱輸入為8～25kJ/cm，埋弧焊熱輸入為15～40kJ/cm，焊接接頭拉伸性能、彎曲性能、沖擊性能都能滿足該橋技術要求。

圖2 中俄黑河大橋焊接熱模擬試驗

根據不同接頭形式和板厚，選用合理的坡口形式和焊接方法；嚴格控制預熱及道間溫度，有效避免焊接缺陷的產生；不同焊接位置、焊接方法的焊接參數匹配（焊接電流、電弧電壓、焊接速度、熱輸入等），創造了多元素最優組合的耐候橋梁鋼焊接工藝。

2.3 耐候鋼表面防護及處理工藝

為保證耐候鋼橋整體耐候性一致，避免出現局部位置耐腐蝕性能下降，制定了一套完備的耐候鋼表面防護工藝，即：嚴禁耐候焊接材料與普通焊接材料混用，引弧板、引出板及馬板應采用與母材同材質鋼板；耐候鋼表面做記號要用水性筆，應避免構件上沾染油脂、油漆、焊接飛濺等；對被污染的耐候鋼及焊縫表面應進行打磨處理；熱矯正時嚴禁過燒（≤700℃）；對于個別結構或焊縫余高可能會滯水，要開工藝泄水孔或磨平焊縫余高，使其難以滯水。耐候鋼構件焊接制造完成后，進行打砂處理后再進行周期澆水處理，有利于耐候鋼及焊縫表面氧化層加速形成且氧化層致密均勻，提高鋼橋的耐候性。

3 耐候橋梁鋼焊接關鍵技術的應用

從2010年開始，對耐候橋梁鋼焊接關鍵技術進行了推廣和應用，該技術已應用于美國阿拉斯加鐵路橋、港珠澳大橋、官廳水庫公路橋、舟山大橋、中俄黑河大橋及青島新機場高速連接線橋等項目。依據本技術制定焊接工藝規程，指導耐候鋼焊接生產，取得了良好的應用效果，得到了業主和監理單位的高度認可。目前，耐候橋梁鋼焊接關鍵技術正在加拿大帕洛特大橋上進行應用，這是國內首次制造加拿大標準耐候鋼橋，該橋采用345MPa和485MPa級耐候橋梁鋼，其中485MPa級耐候橋梁鋼在國內是首次采用。

4 結束語

耐候橋梁鋼焊接關鍵技術為我國免涂裝耐候鋼橋的推廣打下了堅實基礎，其社會效益和環境效益顯著。該技術具有適用的材料范圍寬、綜合性能好、生產效率高、全壽命期成本低等優點，而且符合“綠色制造”的指導思想，推進免涂裝橋梁鋼結構建設，落實綠色發展理念，促進我國橋梁建設的轉型與提質增效。