耐候橋梁鋼焊接關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用

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序言

近年來(lái)國(guó)內(nèi)正在積極推進(jìn)耐候鋼橋梁建設(shè)，采用耐候鋼制造橋梁，可以免涂裝使用，在滿(mǎn)足節(jié)能環(huán)保要求的同時(shí)，大大降低橋梁全壽命期成本。中國(guó)鐵道學(xué)會(huì)理事長(zhǎng)、中國(guó)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(duì)比普通橋梁鋼加涂裝使用（按3次涂裝維護(hù)計(jì)算）分析，40年使用期限內(nèi)涂裝鋼橋的總費(fèi)用超過(guò)耐候鋼橋總費(fèi)用的2倍。耐候鋼是在普通鋼材基礎(chǔ)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(tài)組織，沒(méi)有后續(xù)熱處理或軋制過(guò)程，導(dǎo)致接頭的力學(xué)性能和耐腐蝕性能等不同于母材，往往會(huì)成為鋼橋結(jié)構(gòu)中的薄弱環(huán)節(jié)。在耐候鋼橋制造中，根據(jù)耐候鋼的種類(lèi)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(xué)性能、耐腐蝕性能與母材相匹配，是耐候鋼橋梁結(jié)構(gòu)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(biāo)準(zhǔn)要求高，無(wú)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(chǎn)生焊接裂紋等缺陷。中鐵山橋作為鋼橋行業(yè)的先行者，從2010年開(kāi)始先后對(duì)345～500MPa級(jí)耐候橋梁鋼及耐海洋氣候橋梁鋼的焊接技術(shù)進(jìn)行了研究，形成了成套的耐候橋梁鋼焊接關(guān)鍵技術(shù)，并進(jìn)行了推廣應(yīng)用。

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耐候橋梁鋼焊接關(guān)鍵技術(shù)2.1匹配的耐候橋梁鋼焊接材料

我國(guó)耐候鋼橋焊接標(biāo)準(zhǔn)高于國(guó)內(nèi)其他行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)外耐候鋼橋標(biāo)準(zhǔn)，由表1可看出，我國(guó)耐候鋼橋標(biāo)準(zhǔn)對(duì)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(biāo)準(zhǔn)。

表1國(guó)內(nèi)外同級(jí)別耐候鋼橋標(biāo)準(zhǔn)要求對(duì)比

美國(guó)AWSD1.5：2020《橋梁焊接規(guī)范》只對(duì)345MPa級(jí)耐候鋼的選材給出了要求，埋弧焊絲、氣體保護(hù)焊用實(shí)芯焊絲、藥芯焊絲應(yīng)符合AWSA5.23、AWSA5.28和AWSA5.29中的熔敷金屬符合Ni1、Ni2等化學(xué)成分的要求，沒(méi)有對(duì)焊縫金屬的耐大氣腐蝕性指數(shù)做出要求，見(jiàn)表2。

表2

AWS

D1.5

《橋梁焊接規(guī)范》對(duì)用于裸露免涂裝345W（50W）和HPS345W（HPS50W）

歐標(biāo)EN1090-2：2018《鋼結(jié)構(gòu)和鋁結(jié)構(gòu)施工第二部分：鋼結(jié)構(gòu)用技術(shù)要求》對(duì)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(méi)有對(duì)焊縫金屬的耐大氣腐蝕性指數(shù)做出要求，見(jiàn)表3。

表3EN1090-2—2018《鋼結(jié)構(gòu)和鋁結(jié)構(gòu)施工第二部分：鋼結(jié)構(gòu)用技術(shù)要求》對(duì)耐候鋼焊接材料的要求

針對(duì)國(guó)內(nèi)耐候橋梁鋼焊接材料要滿(mǎn)足接頭低溫沖擊韌度和焊縫金屬耐候性能要求，同時(shí)還要具有良好的焊接工藝性能。中鐵山橋與燕山大學(xué)、焊接材料廠家合作，通過(guò)耐候焊接材料匹配性試驗(yàn)確定了最優(yōu)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(diào)配焊接材料中C、Si、Mn、Cu、Cr、Ni等元素含量，滿(mǎn)足焊縫力學(xué)性能、耐候性與母材匹配的要求。同時(shí)提出耐候焊接材料熔敷金屬耐大氣腐蝕性指數(shù)I≥6.2，使得焊縫金屬的耐候性?xún)?yōu)于母材（I≥6.0），滿(mǎn)足免涂裝使用要求。另外，對(duì)焊接材料擴(kuò)散氫含量進(jìn)行嚴(yán)格控制，保證焊縫焊接質(zhì)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(dǎo)致熔池中合金元素含量高，鐵液流動(dòng)性差，容易產(chǎn)生氣孔、夾渣等焊接缺陷。為了改善耐候鋼焊縫熔池流動(dòng)性，提高焊縫的冶金質(zhì)量，在焊絲中加入Si、RE元素，通過(guò)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(guò)渡到焊縫而引起的熔池黏度高、流動(dòng)性差的問(wèn)題，提高了焊縫冶金質(zhì)量。

通過(guò)大量的耐候焊接材料匹配性試驗(yàn)，確定了具體項(xiàng)目的耐候焊接材料技術(shù)條件。以我國(guó)首座大跨度全焊接免涂裝耐候鋼公路橋——官?gòu)d水庫(kù)公路特大橋?yàn)槔ㄒ?jiàn)圖1）。該橋采用Q345qENH鋼，結(jié)合項(xiàng)目要求制定了官?gòu)d水庫(kù)公路橋耐候焊接材料技術(shù)條件：要求通過(guò)熔敷金屬化學(xué)成分來(lái)計(jì)算耐候焊接材料的耐大氣腐蝕指數(shù)I（I≥6.2），熔敷金屬-40℃沖擊吸收能量≥41J，氣體保護(hù)焊絲、埋弧焊劑熔敷金屬擴(kuò)散氫含量≤5mL/100g（水銀法或熱導(dǎo)法）等?？梢詽M(mǎn)足耐候橋梁鋼在低溫環(huán)境下免涂裝使用要求，提高了鋼橋的安全性和耐久性。根據(jù)不同焊接方法和自動(dòng)化程度（氣體保護(hù)焊、埋弧焊、機(jī)器人焊接），優(yōu)選不同類(lèi)型的焊接材料組合使用，最大程度地實(shí)現(xiàn)智能化、自動(dòng)化焊接，提高生產(chǎn)效率，滿(mǎn)足工廠量產(chǎn)的需要。

2.2多元素最優(yōu)組合的耐候橋梁鋼焊接工藝

因?yàn)槟秃驑蛄轰撝刑砑恿薈r、Ni、Cu等耐候性元素，所以碳當(dāng)量高，焊接性比普通橋梁鋼差，容易產(chǎn)生焊接裂紋、氣孔、夾渣等缺陷。按照CB/T4364—2013《斜Y型坡口焊接裂紋試驗(yàn)方法》的規(guī)定，通過(guò)試驗(yàn)確定不同厚度鋼板的焊接預(yù)熱溫度，為了提高焊縫金屬流動(dòng)性，比普通橋梁鋼提高預(yù)熱溫度和層間溫度20～40℃，使熔池液態(tài)停留時(shí)間延長(zhǎng)，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(chǎn)生裂紋的風(fēng)險(xiǎn)。在焊接過(guò)程中嚴(yán)格控制預(yù)熱溫度和道間溫度，可以有效地提高焊縫的冶金質(zhì)量。

由于耐候橋梁鋼對(duì)熱輸入敏感，焊接工藝窗口窄，故焊接熱輸入過(guò)大會(huì)導(dǎo)致焊接熱影響區(qū)局部粗晶粒脆化傾向急劇增加。通過(guò)物理模擬技術(shù)確定焊接熱輸入控制范圍，保證耐候橋梁鋼焊接熱影響區(qū)的性能。以我國(guó)第一座F級(jí)耐候橋梁鋼橋——中俄黑河大橋?yàn)槔?，先采用Gleeble3500試驗(yàn)機(jī)模擬焊接熱影響區(qū)粗晶區(qū)組織，相應(yīng)的熱循環(huán)參數(shù)包括：焊前不預(yù)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(jiàn)圖2）。

然后按照GB/T229—2007《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》規(guī)定測(cè)試各模擬焊接粗晶熱影響區(qū)-60℃沖擊吸收能量，對(duì)應(yīng)的測(cè)試結(jié)果分別是124J、82J、52J和23J，表明當(dāng)焊接熱輸入超過(guò)40kJ/cm時(shí)，所述耐候鋼焊接熱影響區(qū)的局部粗晶脆化傾向急劇增加。符合焊接熱影響區(qū)（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

。結(jié)合焊接工藝評(píng)定結(jié)果，確定中俄黑河大橋焊接工藝窗口，氣體保護(hù)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(mǎn)足該橋技術(shù)要求。

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

2.3耐候鋼表面防護(hù)及處理工藝

為保證耐候鋼橋整體耐候性一致，避免出現(xiàn)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(hù)工藝，即：嚴(yán)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(yīng)采用與母材同材質(zhì)鋼板；耐候鋼表面做記號(hào)要用水性筆，應(yīng)避免構(gòu)件上沾染油脂、油漆、焊接飛濺等；對(duì)被污染的耐候鋼及焊縫表面應(yīng)進(jìn)行打磨處理；熱矯正時(shí)嚴(yán)禁過(guò)燒（≤700℃）；對(duì)于個(gè)別結(jié)構(gòu)或焊縫余高可能會(huì)滯水，要開(kāi)工藝泄水孔或磨平焊縫余高，使其難以滯水。耐候鋼構(gòu)件焊接制造完成后，進(jìn)行打砂處理后再進(jìn)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(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用從2010年開(kāi)始，對(duì)耐候橋梁鋼焊接關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了推廣和應(yīng)用，該技術(shù)已應(yīng)用于美國(guó)阿拉斯加鐵路橋、港珠澳大橋、官?gòu)d水庫(kù)公路橋、舟山大橋、中俄黑河大橋及青島新機(jī)場(chǎng)高速連接線橋等項(xiàng)目。依據(jù)本技術(shù)制定焊接工藝規(guī)程，指導(dǎo)耐候鋼焊接生產(chǎn)，取得了良好的應(yīng)用效果，得到了業(yè)主和監(jiān)理單位的高度認(rèn)可。目前，耐候橋梁鋼焊接關(guān)鍵技術(shù)正在加拿大帕洛特大橋上進(jìn)行應(yīng)用，這是國(guó)內(nèi)首次制造加拿大標(biāo)準(zhǔn)耐候鋼橋，該橋采用345MPa和485MPa級(jí)耐