马鞍山长江公路大桥钢塔柱焊接工艺

马鞍山长江公路大桥钢塔柱焊接工艺
马鞍山长江公路大桥钢塔柱焊接工艺
李彦国刘志刚吴江波
(中铁宝桥(扬州)有限公司，江苏扬州 225107)
摘要：马鞍山长江公路大桥钢塔采用Q370qE和Q420qE钢，针对该钢塔使用的中厚板焊接，选择合理的焊接方法、焊接坡口、焊接材料以及焊接工艺参数进行焊接试验，通过焊接工艺评定试验及试验数据分析发现，各项性能均满足设计和相关标准要求。

该焊接工艺成功应用于马鞍山长江公路大桥钢塔柱的制作，可供同类桥梁钢结构焊接制作借鉴。

关键词：中厚板；焊接工艺；焊接工艺评定
1 工程概述
马鞍山长江公路大桥左汊主桥为(360+1 080+1 080+360)m 的3塔2跨连续钢箱梁悬索桥，其中塔为钢- 混凝土叠合结构。

中塔结构设计为门式结构，由上、下塔柱、塔顶装饰及上、下横梁组成，其中下塔柱为预应力混凝土结构，上塔柱、塔顶装饰及上、下横梁为钢结构。

塔高为175.8 m，钢塔柱结构见图1。

钢塔柱主体结构采用Q370qE和Q420qE钢，板厚集中在32～60 mm，塔柱断面见图2。

图1 马鞍山长江大桥悬索桥钢塔柱结构
图2 钢塔柱断面及零件组成示意
2 焊接质量要求
2.1 焊缝外观检查
焊缝进行外观检查，不得有裂纹、未熔合、夹渣、焊瘤等缺陷，外观质量符合TB 10212—2009《铁路钢桥制造规范》中表4.9.12的规定。

2.2 焊缝无损检验
焊缝外观质量检查合格后进行无损检测，检验在试板焊接完成24 h后进行。

无损检验按照TB 10212—2009的有关规定进行。

1)对接焊缝、全熔透角焊缝Ⅰ级；2)部分熔透角焊缝Ⅱ级。

2.3 接头力学性能的要求
马鞍山长江大桥钢塔焊接接头的力学性能的设计要求为：焊缝的力学性能(除低温冲击)不低于母材标准规定值[1]。

焊接接头V形缺口低温冲击功不低于表1所示的要求[2]。

表1 焊接接头V形缺口低温(-40 ℃)冲击韧性要求 J
牌号对接焊缝熔透角接焊缝棱角焊缝、坡口角焊缝Q370qE≥41≥41≥41Q420qE≥41≥41≥41
3 焊接试验内容
3.1 焊接试验流程
焊接试验是针对马鞍山长江公路大桥钢塔的Q370qE和Q420qE 钢，选取典型焊接接头展开的试验。

试验流程见图3。

图3 焊接工艺评定试验流程
3.2 焊接材料的选择
Q370qE和Q420qE钢强度较高，选择合适的焊接材料，使焊缝达到良好的强韧性匹配是选材的重点。

在广泛调研的基础上，分别对Q370qE和Q420qE钢进行了埋弧自动焊、药芯焊丝CO2气体保护焊等选材试验。

根据工艺性、力学性能选择焊材，如表2所示。

表2 焊材的选用
钢材埋弧自动焊药芯焊丝CO2气体保护焊Q370qEH08Mn2E+SJ105qGFL-71NiQ420qEH60Q+SJ105qGFL-71Ni
3.3 预热温度的确定
本工程使用的Q370qE和Q420qE钢材均为厚板，厚板焊接具有较敏感的冷裂倾向，选择合理的预热温度可有效防止裂纹的产生，同时，对拘束应力较大的焊接接头，合理的焊前预热可有效降低接头拘束度。

在此借鉴大胜关大桥[3]和芜湖长江大桥抗裂试验数据来确定厚板焊前预热温度和焊接层间温度，见表3。

表3 预热温度和层间温度
钢材板厚/mm预热温度/℃手弧焊、气体保护焊埋弧焊道(层)间温度/℃Q370qE28～4060～100≥560～20040～6880～120≥580～200Q420qE28～4060～100≥560～20040～6880～120≥6080～
200
3.4 焊接试验数据
3.4.1 对接焊缝
对接接头的工艺试验中，对接接头采用埋弧自动焊。

焊接工艺见表4。

表4 对接焊缝焊接工艺(部分)
板厚/mm材质焊接方法焊接材料熔敷示意焊接参数焊道/道电流/A电压/V焊速/(m\5h-1)预热及层温/℃44+44Q370qESAWH08Mn2E(?5)SJ105q16502921 5预热602～76803121 592～20086503021 592～2009～146803121 592～20044+44Q420qESAWH60Q(?4)SJ105q16502922预热602～76803121 590～20086503021 590～2009～146803121 590～20060+60Q420qESAWH60Q(?4)SJ105q16502921 5预热602～116803121 590～200126503021 590～20013～166803121 590～200
3.4.2 坡口角焊缝
坡口焊缝采用J形+单面V形坡口和K形坡口。

Q370qE和Q420qE钢材均采用药芯焊丝CO2气体保护焊。

坡口角焊缝焊接工艺见表5。

表5 坡口角焊缝焊接工艺(部分)
板厚/mm材质焊接方法焊接材料熔敷示意焊接参数焊道/道电流/A电压/V预热及层温/℃40+44Q370qEFCAW横位GFL?71Ni(?1 2)CO2121026预热80其余24030110～20040+60Q420qEFCAW横位GFL?71Ni(?1 2)CO2121026预热80其余2403090～20044+44Q370qEFCAW横位GFL?71Ni(?1 2)CO2121026预热80其余24030105～20060+60Q420qEFCAW横位GFL?71Ni(?1
2)CO2122028预热80其余24030110～200
3.4.3 熔透角焊缝
熔透角焊缝采用K形不对称坡口和单面V形坡口。

Q370qE和Q420qE钢材均采用CO2气体保护焊。

熔透角焊缝焊接工艺见表6。

表6 熔透角焊缝焊接工艺(部分)
板厚/mm材质焊接方法焊接材料熔敷示意焊接参数焊道电流/A电压/V预热及层温温/℃32+40Q370qEFCAW横位GFL?71Ni(?1 2)CO2121026预热60其余2403080～20036+60Q420qEFCAW横位GFL?71Ni(?1 2)CO2121026预热80其余2403090～200
4 试验结果分析
4.1 焊缝外观及内部检验
试件焊后外观检查发现，焊缝外观符合技术要求。

试件焊接24 h 后对焊缝进行超声波检测，焊缝内部质量均按照TB 10212—2009进行检验，对接焊缝、熔透角焊缝质量等级应达到Ⅰ级，坡口角焊缝质量等级应达到Ⅱ级。

经检验，焊缝内、外部质量均满足标准要求。

4.2 力学性能分析
力学性能是在焊缝外观、超声波检验合格后，按GB 2649—1989《焊接接头机械性能试验取样方法》标准制样。

由表7—表9中试验结果看出，各接头拉伸、焊缝金属拉伸均不低于母材标准值；对接焊缝、熔透焊缝低温冲击功均大于设计要求值并有较大储备，表明低温韧性良好；对接接头弯曲试验在D=2a(D为弯心直径;a为试样厚度)的条件下弯曲180°未见裂纹；各接头最高硬度试验小于350，说明焊接过程中未产生脆硬组织；焊缝各项力学性能均不低于母材设计要求值。

4.3 焊接接头宏观断面照片分析
对所有焊接接头进行了宏观断面分析，如图4—图6。

图中显示焊道排列整齐，焊缝成形美观，符合本次试验要求。

表7 对接接头试验结果(部分)
板厚/mm材质接头拉伸焊缝拉伸AkV/J(-40℃)Rm/MPa断裂位置ReL/MPaRm/MPaA/%焊缝热影响区侧弯180°接头最高硬度HV1044+44Q370qE570母材52058524 5112，75，144150，150，150D=2a合格19944+44Q420qE620母材57563022 5147，150，150150，150，150D=2a合格21860+60Q420qE605母材52560523 0120，115，143125，145，6154060519 0150，150，150142，150，150D=2a合格226226
注：Rm为抗拉强度；Rel为屈服强度；AkV为冲击功。

表8 熔透角焊缝试验结果(部分)
板厚/mm材质焊缝拉伸-40℃AkV/JReL/MPaRm/MPaA/%焊缝热影响区接头最高硬度HV1032+40Q370qE57062522 095，68，7438，78，14428536+60Q420qE59064024 555，106，11064，77，114236
a—Q370qE钢，(44+44) mm坡口;b—Q420qE钢，(44+44) mm坡口;c—Q420qE钢，(60+60) mm坡口。

图4 对接焊缝坡口大样及宏观断面(部分)
a—Q370qE钢，(40+44) mm坡口;b—Q420qE钢，(40+60)mm坡口;c—Q370qE钢，(44+44)mm坡口;
d—Q420qE钢，(60+60) mm坡口。

图5 坡口焊缝坡口大样及宏观断面(部分)
a—Q370qE钢,(32+40) mm坡口;
b—Q420qE钢,(36+60) mm坡口。

图6 熔透角焊缝坡口大样及宏观断面(部分)
表9 坡口焊缝试验结果(部分)
板厚/mm材质焊缝拉伸ReL/MPaRm/MPaA/%接头高最硬度HV1040+44Q370qE57062522 025340+60Q420qE57062523 025044+44Q370qE50557522 523360+60Q420qE57563022 0228
5 结束语
本次焊接工艺评定试验经专家组论证审查，设计的焊接坡口符合工程实际，满足相关标准要求。

所选用的焊接方法、焊接材料及焊接工艺参数合理，各项性能试验能满足钢塔制作的设计要求和相关标准要求。

参考文献：
[1] TB 10212—2009 铁路钢桥制造规范[S].
[2] 中铁宝桥集团.马鞍山长江公路大桥钢塔柱制造规则[S]. 2010.
[3] 孙立雄,张剑峰，袁俊，等.大胜关大桥钢梁焊接工艺研究[J]. 电焊机,2009(10): 16 - 20.
[4] 孙立雄,张剑峰，袁俊，等.西堠门钢箱梁焊接工艺评定[J].钢结构,2010,25(10):57 - 62.
RESEARCH ON WELDING PROCEDURE OF STEEL TOWER COLUMN OF MAANSHAN YANGTZE RIVER HIGHWAY BRIDGE Li Yanguo Liu Zhigang Wu Jiangbo
(China Railway Baoji Bridge (Yangzhou) Co.Ltd, Yangzhou 225107， China)
ABSTRACT：Q370qE and Q420qE steel were adopted for steel tower of Maanshan Yangtze River Highway Bridge. Reasonable welding process, welding groove, welding consumables and welding parameters were selected for medium thickness plate welding and welding test. The results of welding procedure qualification test and data analysis indicated that the properties could meet the requirements of relevant design standards. The selected welding procedure selected has been successfully used in the fabrication of steel tower columns of Maanshan Yangtze River Highway Bridge. This paper provided a reference for the welding fabrication of similar steel bridge projects.
KEY WORDS：medium thickness plate; welding procedure;
procedure qualification record
第一作者：李彦国，男，1983年出生，工程师。

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收稿日期：2015 - 05 - 14
DOI：10.13206/j.gjg201509017。