安家莊特大橋厚鋼管墩柱焊接質量控制

張忠俊，張雪峰，劉頁龍，劉紅賓

(1.北京逸群工程咨詢有限公司 北京市 100176；2.遼寧工程技術大學 阜新市 123000)

鋼結構工程的主要特點是剛度大、跨度大、承載力強，鋼結構施工中不可避免地使用到焊接工藝。其中，焊縫表面成形是評判焊接質量的重要指標。在焊接過程中，由于焊接參數調節不當及焊接環境復雜等不確定因素，焊縫表面會出現凹陷、咬邊、氣孔、未熔合、熔寬余高未達標等表面缺陷[1-2]，這些缺陷不僅影響焊縫外觀形貌，而且會造成焊縫連接強度下降，應力集中，影響焊接構件產品質量，甚至會使產品報廢[3]。

為了控制焊接變形，提高幾何精度，加快施工進度，結合安家莊特大橋，從現場焊接施工環境控制、工藝控制的角度入手，采用了工廠加工、現場拼裝焊接的制作方案，以達到焊接質量進行控制的目的[4-5]。

1 工程概況

安家莊特大橋上跨豐沙鐵路橋位于北京市門頭溝區王平鎮安家莊村西南，線路為東西走向，橋梁起于豐沙鐵路北側、黃臺隧道出口，先后跨越豐沙鐵路、永定河及現狀G109國道。橋梁左右幅分別在 A1K25+540.81和 AK25+637.38 處上跨既有豐沙鐵路，主橋左右幅分別采用(248.95+248.95)m 鋼桁斜拉橋和(171.95+171+75.25)m 連續鋼桁梁結構，墩頂轉體法施工。梁體轉體重量左右幅分別為15000t和9000t。主橋轉體墩為L3#、R4#墩柱，橋墩下部結構采用樁基接承臺、鋼管墩柱形式，墩柱材質為4mm厚316L不銹鋼加90mm厚Q500MD復合鋼板，Q500MD復合鋼板要求上屈服強度不小于480MPa。

2 焊接工藝評定試驗

根據該項目招標文件要求，綜合考慮運輸等各方面因素，鋼管樁制造在滄州產業園鋼結構制造廠房，配備專用的切割、卷管、焊接、矯形等配套設備，完成之后在涂裝房內完成鋼管防腐涂裝，制造方案采用2～3.2m一段，運輸至現場2段或3段接長為吊裝段，再在橋位吊裝對接等工作。據施工現場實際焊接工況模擬，對各種焊接試件成品按規范進行力學性能試驗，試驗結果滿足設計要求，據此確定焊接工藝，并在實際施工時按照工藝要求進行焊接操作。焊縫試驗結果及焊接工藝見表1～表4。

表1 焊接方法及焊接材料

表2 鋼管縱向對接焊縫、橫向對接環縫坡口形式及尺寸

表3 節段間鋼管橫向對接焊縫坡口形式及尺寸

表4 板肋嵌補段對接焊縫和鋼管外側加勁肋坡口角焊縫坡口形式和尺寸

3 焊接過程控制

3.1 焊前準備

3.1.1鋼管制造

全橋鋼管的下料及坡口主要通過門式切割機來實現，下料長度即鋼管周長，要充分考慮滾壓拉伸與焊接收縮的影響。采用卷板機對平板兩端各一段剩余直邊進行預彎，采用大型卷板機進行卷圓，卷圓前注意對中以防扭斜，卷圓應考慮冷卷回彈，須加一定的過卷量。

焊接施工主要包括廠內鋼管的直縫焊接，以及現場鋼管對接施工。最后在橋位進行各吊裝段環縫焊接，達到墩柱設計高度。

3.1.2鋼管整拼和橋上焊接方案

本工藝方案適用于安家莊特大橋上跨豐沙鐵路橋鋼管混凝土橋墩用鋼管(材質為Q355MD、Q355MD+S31603鋼、Q500MD、Q500MD+S31603鋼)的鋼管整拼及橋上焊接，工藝方案中未盡事宜，按照《公路橋涵施工技術規范》(JTG/T 3650—2020)的有關規定執行。

首先采用電加熱帶和保溫巖棉纏繞(距離焊縫坡口邊緣10cm)內壁和外壁環縫兩側區域進行預熱，預熱時間約4h，預熱溫度在150～200℃，對外壁環縫采用實心焊絲進行打底焊2道，然后采用藥芯焊絲二保焊焊接外壁環縫坡口約1/2深(約20道)。

對內壁環縫進行碳弧氣刨清根并打磨干凈，采用藥芯焊絲二保焊焊滿內壁環縫(約40道)；采用藥芯焊絲二保焊將外壁環縫焊完(約60道)(不包括不銹鋼蓋面)。

電加熱帶和保溫巖棉在環縫整個焊接前中后始終纏繞作為焊縫電加熱措施，在焊接每道焊縫前需要將上道焊縫不均勻及可能產生焊接缺陷的部分打磨平整均勻，采用紅外測溫儀進行焊接前中后的焊縫溫度測控。焊縫焊接完成24h、48h、72h后要分別進行超聲波探傷檢測。

3.2 焊接過程控制及安裝

3.2.1鋼管節段接長

將鋼管節段固定在現場滾輪架上，預熱后首先采用氣體保護焊實心焊絲焊接內側打底焊2～5道(保證埋弧焊直接分道焊接)，然后采用埋弧焊填充到內側坡口的一半深。從外側坡口氣刨清根，打磨干凈后，采用實心焊絲打底焊2～5道(保證埋弧焊直接分道焊接)，再采用埋弧焊填充至坡口深度一半，之后焊接內側填滿。最后將外側坡口填滿。

每焊接一道埋弧后，下一道埋弧焊接方向反方向焊接，晶粒交錯。焊接過程中除了根部2道和蓋面焊道外，其余焊道焊后采用機械錘擊。

焊接不銹鋼復合鋼板時，需在距離不銹鋼復合層界面4～7mm時，采用實心氣體焊絲焊接；應防止結構鋼氣體保護焊材與不銹鋼焊連，在距離不銹鋼復合層界面1～2mm時，采用GFS-309L不銹鋼焊絲焊接過渡層，蓋面采用GFS-316L不銹鋼焊絲焊接。

3.2.2鋼管節段橋位拼裝

首先吊裝鋼管就位，從管外側坡口采用氣體保護焊進行定位焊。預熱后，在管內側進行對接焊縫打底焊道，焊接內側坡口約1/2深。在管外側進行碳弧氣刨清根，采用氣體保護焊藥芯焊絲從外側焊接對接焊縫約1/2深。再焊滿內側焊縫，最后焊滿外側焊縫。

焊接不銹鋼復合鋼板時，需要用藥芯焊絲將焊接面找平，然后采用GFS-309L不銹鋼焊絲焊接過渡層，蓋面采用GFS-316L不銹鋼焊絲焊接，不銹鋼焊絲采用多層多道焊焊接。管對接焊縫或角焊縫開始焊接后，此焊縫應連續焊完。一旦中斷焊接，應加熱到200～250℃后蓋石棉毯保溫緩冷，再次焊接前應進行預熱。

管對接焊縫和角焊縫焊完后，立即用火焰或電加熱到200～250℃，蓋石棉毯保溫3.5～4h(保持溫度在200～250℃)，然后緩慢冷卻。

4 焊接質量檢驗及缺陷修補

4.1 氣孔缺陷原因分析與解決

根據對現場施工環境條件、操作工藝、焊接材料進行調查，分析認為可能的原因有二：

(1)焊劑烘干設備不穩定，溫度控制不準確，造成焊劑烘干不徹底，含有結晶水，有可能導致焊接過程中造成氣孔出現。

(2)焊接操作人員對焊接工藝熟悉度不夠，或責任心不強，預熱溫度不夠，影響焊接質量，導致氣孔出現。

針對上述兩個原因，先采取措施對焊劑烘干設備進行了檢查，設備運行良好，確保其運行無礙。再對現場焊接操作人員進行二次焊接工藝交底。

結合之前的原因分析，認為出現氣孔的原因可能是水汽原因或者焊接參數控制不到位，導致鋼板、焊縫中的氣體不能及時排出，為此決定再次先進行小范圍焊接試驗，并采取如下措施：

(1)嚴格焊前預熱，焊接過程中控制道間溫度和焊后保溫，采購電加熱設備。

(2)更換CO2保護氣體供貨廠家。

(3)減少焊劑堆高，微調焊接參數，對坡口根部、中間填充、蓋面焊道，分別在工藝規定范圍對參數進行調整，采用不同的焊接速度、電流、電壓，有利于焊縫中的氣體排出。

4.2 環向焊縫橫向裂紋的分析與解決

為解決出現的焊接質量問題，項目部邀請了橋梁焊接方面的專家，經現場勘查，專家詳細分析了橫向裂紋出現的原因后，給出如下建議：

采用連續定位焊，取代間斷定位焊；焊絲材質降低1～1.5個強度等級；焊接施工前焊口部位必須打磨干凈；焊前預熱采用電加熱器，而非火焰加熱方式，保證受熱均勻；增加焊接道(遍)數，減小每道(遍)施焊厚度；更改焊槍運行方式，采用三角形或圓圈形擺動方式。

根據專家建議，施工方在山海關的焊接室進行了降低焊絲強度等級的焊評試驗，采用板厚70+70mm的Q500MD鋼板試驗，打底焊采用實心焊絲HTW-58，根部每側填充2道采用H08Mn2E(Φ5)焊絲+SJ101q焊劑，然后采用H60Q(Φ4)焊絲+SJ101q焊劑填充。試件經探傷檢測，宏觀斷面檢測無焊接缺陷，力學性能檢測接頭最高硬度不超過290HV10，試驗結果全部合格。

5 結語

安家莊特大橋厚鋼管墩柱所有已完成焊縫經檢測符合設計和規范要求。針對其結構特點、鋼材特性和焊接現場的復雜情況，進行了焊接工藝評定試驗，制定了科學合理的焊接工藝和可行的焊接質量控制措施，成功地指導了安家莊特大橋厚鋼管墩柱制造施工。