鋼箱梁U肋角焊縫全熔透焊接技術(shù)探究

馬立芬+楊春松

摘 要：闡述目前鋼橋梁U肋角焊縫生產(chǎn)制造現(xiàn)狀，分析橋面板與U肋角焊縫易出現(xiàn)疲勞裂紋的原因。通過調(diào)研分析，研究適用于U肋角焊縫全熔透焊接生產(chǎn)的3種可行性焊接方案，對比分析3種焊接方案的優(yōu)缺點(diǎn)，確定最優(yōu)化、最高效的焊接工藝方案。

關(guān)鍵詞：U肋角焊縫 全熔透 焊接方案

近年來，隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展對交通建設(shè)的需求日益增長，材料技術(shù)、焊接技術(shù)、設(shè)計(jì)技術(shù)以及架設(shè)施工技術(shù)等也在不斷進(jìn)步，大跨徑鋼橋以其新型、大跨、輕質(zhì)和美觀等優(yōu)勢，得到了突飛猛進(jìn)地發(fā)展。鋼箱梁斜拉橋是一種新型結(jié)構(gòu)形式的橋梁，可以實(shí)現(xiàn)大跨徑、特大跨徑的橋梁要求，而成為我國公路橋梁發(fā)展的主要方向之一。

鋼橋面板是由較薄的面板、縱向肋和橫向肋組成，三者互為垂直，焊接成一體而共同工作，由于在相互垂直方向上的剛度各不相同，在受力行為上呈現(xiàn)各向異性，故稱為正交異性板橋面板。鋼正交異性板在均布荷載作用下有很大的極限承載力，然而在集中荷載作用下會產(chǎn)生局部“鍋底狀”變形，而且，任一部件的豎向撓曲變形都將引起與之相鄰部件的面外撓曲變形，在焊縫約束處產(chǎn)生次應(yīng)力。

1 U肋角焊縫疲勞裂紋分析

鋼正交異性橋面板的構(gòu)造復(fù)雜、焊縫數(shù)量多、施焊難度大、工廠制造和現(xiàn)場的組裝精度和焊接質(zhì)量要求較高，特別是U肋角焊縫的熔深性、咬邊和其他焊接缺陷，都將成為潛在的疲勞裂縫源。U肋與頂、底板之間的焊縫，由于反復(fù)受到汽車輪壓載荷的作用，行車道部位的U肋角焊縫很容易疲勞開裂。

U肋是大型板式鋼結(jié)構(gòu)尤其是鋼橋梁中的重要受力構(gòu)件，U肋由于其固有的封閉、狹窄細(xì)長的結(jié)構(gòu)特性，早期加工時大多采用貼角焊，焊縫只要達(dá)到規(guī)定的焊腳尺寸就算合格，后來要求焊接時的熔透深度達(dá)到U肋厚度的75%或80%。但是角焊縫內(nèi)根部由于位于U肋狹小空間內(nèi)不能施焊，導(dǎo)致焊縫根部產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中，所以從貼角焊優(yōu)化到部分熔透焊縫，并未從根本上避免U肋角焊縫處的疲勞裂紋問題。其裂紋擴(kuò)展形態(tài)基本類似，主要有以下2種形態(tài)（如圖1所示）：（1）裂紋起源于焊根，大體上沿著橋面板向橋面板上表面方向或者沿著焊喉方向擴(kuò)展；（2）裂紋起源于焊趾，大體上沿著橋面板向橋面板上表面方向或者沿著焊縫與U肋結(jié)合處或U肋厚度方向擴(kuò)展。

針對U肋板單元焊接時存在角焊縫根部不能熔透、易產(chǎn)生疲勞裂紋的問題，筆者所在公司首次提出U肋角焊縫全熔透焊接研究。筆者所在公司雖然具有豐富的橋梁制造經(jīng)驗(yàn)，但是U肋角焊縫的熔透深度一般只要求達(dá)到75%～80%即可，在U肋全熔透焊接研究也是出于探索階段。除此之外，國內(nèi)外其他橋梁制造企業(yè)在U肋角焊縫全熔透焊接上也望而卻步，沒有切實(shí)有效的焊接方案可以實(shí)現(xiàn)U肋角焊縫的全熔透焊接，對此目前并沒有可借鑒的成功焊接研究經(jīng)驗(yàn)。

2 U肋角焊縫全熔透焊接工藝方案

針對U肋的結(jié)構(gòu)和焊接特點(diǎn)，筆者所在公司經(jīng)過廣泛地市場調(diào)研和深入地分析研究，認(rèn)為目前可從雙面焊接和單面焊雙面成型焊接兩方面進(jìn)行U肋全熔透焊接研究。對于雙面焊接來說，焊接的關(guān)鍵點(diǎn)在于需要設(shè)計(jì)一款特殊的焊接設(shè)備，能夠進(jìn)入U肋內(nèi)部完成焊接工作，而外部焊接相對簡單，目前的焊接工藝完全可以獨(dú)立完成。對此，筆者所在公司重點(diǎn)調(diào)研了YS-1DT6箱管焊機(jī)和微型的內(nèi)部焊接小車。對于單面焊雙面成型焊接來說，焊接的難點(diǎn)在于，目前的焊接設(shè)備需要在U肋背部加裝襯墊的前提下才能實(shí)現(xiàn)全熔透焊接，而加裝襯墊對于U肋的加工和裝配精度要求極高，同時大大降低了生產(chǎn)效率，提高了生產(chǎn)成本和橋梁自重，對于目前的橋梁生產(chǎn)制造來說并不可取。對此，筆者所在公司率先提出采用聚弧脈沖深熔焊焊機(jī)來實(shí)現(xiàn)U肋全熔透焊接。下文將對3種焊接方案進(jìn)行一一詳述。

2.1 YS-1DT6箱管焊機(jī)

YS-1DT6箱管焊機(jī)采用埋弧焊接技術(shù)，通過3根并排排列的金屬管伸入構(gòu)件內(nèi)部將焊絲和焊劑輸送到焊接位置，其中兩外側(cè)的金屬管尾端各配備一臺送絲設(shè)備，見圖2，將焊絲沿金屬管內(nèi)部推送到金屬管前端并穿過焊槍到達(dá)焊接位置，見圖3；中間的金屬管輸送埋弧焊劑，金屬管前端配置分流盒，將焊劑分流成2股，分別輸送到兩側(cè)焊接位置。整個焊接過程焊件保持不變，由傳動機(jī)構(gòu)推動焊接導(dǎo)管和焊槍完成。

該焊機(jī)屬于外單位生產(chǎn)作業(yè)設(shè)備，由于種種原因，筆者所在公司未對該設(shè)備進(jìn)行相關(guān)的探索性焊接試驗(yàn)，僅對其在U肋全熔透焊接應(yīng)用的可能性進(jìn)行了理論分析。

焊接設(shè)備能否進(jìn)入U肋內(nèi)部進(jìn)行焊接是雙面焊能夠成功的關(guān)鍵。YS-1DT6箱管焊機(jī)對內(nèi)部空間的限制較小，要求焊接件高度不小于50 mm，寬度不小于100 mm；而對于焊接長度，箱管焊機(jī)采用推拉絲技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)10 m以上直道焊縫，并且可以實(shí)現(xiàn)2條焊縫同時焊接，焊接效率較高。但是YS-1DT6箱管焊機(jī)一次性投資大，并且需要特定焊接工位，且焊后焊機(jī)回收和清渣工作任務(wù)量較大。

2.2 內(nèi)部微型焊接小車

微型焊接小車與普通的氣體保護(hù)焊配套焊接小車功能類似，但體積較小、重量輕，能夠進(jìn)入到U肋內(nèi)部進(jìn)行焊接作業(yè)。該焊接小車單機(jī)作業(yè)，每個小車攜帶一把氣體保護(hù)焊焊槍（見圖4），焊絲通過推拉絲技術(shù)輸送到焊接位置，最大焊接距離可達(dá)到16 m左右（見圖5），并且焊接小車攜帶焊接監(jiān)視系統(tǒng)，可實(shí)時監(jiān)控焊接質(zhì)量。但是一次只能焊接一道焊縫，焊接電纜太長、工人操作煩瑣、小車回程太慢、焊接效率較低。

2.3 聚弧脈沖深熔焊焊機(jī)

雙面焊焊接工藝能夠?qū)崿F(xiàn)U肋的內(nèi)部打底焊接，可以對全熔透焊接起到背部堵漏的效果，防止外部焊接時背部燒穿。但是箱管焊機(jī)和焊接小車各有優(yōu)缺點(diǎn)，整體上來說將大大增加焊接工作量和勞動成本，并非是一種理想的焊接解決方案。對此，筆者所在公司通過市場調(diào)研考慮采用聚弧脈沖深熔焊機(jī)對U肋進(jìn)行單面焊雙面成型的全熔透焊接。

雷姆公司聚弧脈沖深熔焊機(jī)是一款集合普通電弧、脈沖電弧、雙脈沖電弧、焊條手工焊、獨(dú)具特性的起弧和收弧等功能于一身的焊接設(shè)備。主要具有以下特點(diǎn)：

（1）采用高度聚焦電弧進(jìn)行焊接時，可顯著改善電弧滲透、增加坡口根部的穿透力，使焊縫根部成型得到保證；同時減少了熱輸入量、增加了熔化和工作效率，以最經(jīng)濟(jì)的方式獲得最理想的焊縫。

（2）焊接速度較其他同類焊機(jī)提高了30%，設(shè)定好全部焊接專家程序只需幾秒，操作極為方便。采用最佳焊接過程使熔化效率和焊接速度顯著提高，以超速反應(yīng)來精密調(diào)節(jié)電弧長度使電弧始終穩(wěn)定。焊接時電弧精準(zhǔn)地保持在坡口根部，為焊接鋼構(gòu)件提供絕對保證。

（3）該焊機(jī)集5大焊接功能于一身，有170個經(jīng)優(yōu)化的焊接專家程序，無論焊接碳鋼及低合金鋼，或者不銹鋼、鋁、銅釬焊以及焊接錫合金等都能獲得最佳焊接質(zhì)量。

（4）U肋屬于較長的直道焊縫且內(nèi)部焊接很難穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)，采用MEGA.FOCUS500聚弧脈沖深熔焊焊機(jī)進(jìn)行U肋角焊縫的第一層打底焊接時，可以使得U肋角焊縫實(shí)現(xiàn)100%熔透、正反面焊接成型，成功實(shí)現(xiàn)8 mmU肋角焊縫的全熔透焊接（見圖6）。

2.4 3種焊接工藝方案對比分析

筆者所在公司重點(diǎn)調(diào)研了以上3種焊接工藝方案，對比分析各方案之間的優(yōu)缺點(diǎn)，最終認(rèn)為聚弧脈沖深熔焊焊機(jī)可作為U肋全熔透焊接的理想焊接設(shè)備，各方案的性能特點(diǎn)如表1所示。

采用箱管焊機(jī)和焊接小車進(jìn)行內(nèi)部焊接的目的，主要是解決正面進(jìn)行全熔透焊接時背部易燒穿造成液體流淌的問題，在正面焊接前先采用可伸入U肋內(nèi)部的焊接設(shè)備進(jìn)行內(nèi)部封底焊接，以起到類似襯墊的堵漏作用，然后再采用常規(guī)焊接方法進(jìn)行外部焊接。雖然通過箱管焊機(jī)與內(nèi)部焊接小車采用雙面焊接工藝可以實(shí)現(xiàn)U肋的全熔透焊接，但是兩方案均無法達(dá)到最理想的焊接效果。

（1）從工件空間要求、焊接質(zhì)量、焊接效率以及設(shè)備穩(wěn)定性等角度出發(fā)，可考慮采用箱管焊機(jī)。箱管焊機(jī)對工件空間要求低、設(shè)備簡單易操作、不易出現(xiàn)故障、焊接質(zhì)量可靠，但是箱管焊機(jī)的焊接長度拓展空間有限、投資成本大、需特定焊接工位、靈活性較差，僅可用于焊接U肋等內(nèi)部狹小空間的直道焊縫，一次性投資大ɑㄓ糜τ梅段Ы險？（2）從靈活性、投資成本、焊接長度等角度出發(fā)，可考慮采用焊接小車。焊接小車小巧靈便、不受場地限制、焊接長度拓展空間較大、投資成本低；但是設(shè)備復(fù)雜、操作煩瑣、故障率高、焊接效率低、焊接質(zhì)量不穩(wěn)定。

（3）為了保護(hù)U肋內(nèi)部油漆防止服役工程中內(nèi)部生銹，在距U肋端部400 mm處安裝隔板，隔板在U肋焊接到頂/底板前已組裝完成，所以將影響到內(nèi)部設(shè)備無法正常焊接。若要實(shí)現(xiàn)內(nèi)部焊接，需在U肋焊接到頂/底板后再安裝U肋內(nèi)隔板（見圖7），并且內(nèi)隔板需開設(shè)過焊孔。所以采用雙面工藝將會與目前橋梁U肋制造方案相沖突，對此雙面焊接工藝對U肋全熔透焊接研究來說并非是最理想的工藝方案。

（4）針對以上兩方案存在的缺點(diǎn)，項(xiàng)目組重點(diǎn)調(diào)研了2家焊接設(shè)備，雷姆公司的聚弧脈沖深熔焊焊機(jī)，由于該焊機(jī)具有的聚弧脈沖功能能夠使焊接電弧具有高度的聚焦和強(qiáng)勁的穿透力，焊接過程中焊接電弧始終穩(wěn)定在坡口根部，使得根部母材完全熔化并在內(nèi)部形成焊腳。該焊接工藝避免了內(nèi)部焊接煩瑣復(fù)雜、焊接穩(wěn)定性差的缺點(diǎn)，僅采用外側(cè)焊接就可實(shí)現(xiàn)8 mmU肋的單面焊雙面成型，焊接過程簡單方便、設(shè)備穩(wěn)定可靠、生產(chǎn)效率高效，若實(shí)現(xiàn)自動化焊接，對鋼橋梁制造水平將是極大提升，同時節(jié)約一定生產(chǎn)成本。

綜合考慮3種焊接設(shè)備的優(yōu)缺點(diǎn)之后，項(xiàng)目組決定采用雷姆公司的MEGA.FOCUS500聚弧脈沖深熔焊焊機(jī)，作為該項(xiàng)目的理想焊接設(shè)備，并針對8 mmU肋角焊縫全熔透焊接進(jìn)行了多組焊接工藝試驗(yàn)。主要研究了焊接材料、坡口角度、焊接工藝參數(shù)等重要焊接參數(shù)對焊縫成型質(zhì)量的影響。

3 結(jié)語

U肋是大型板式鋼結(jié)構(gòu)尤其是鋼橋梁中的重要受力構(gòu)件，其與橋面板之間的縱向焊縫的抗疲勞性能關(guān)系到整個橋梁的使用壽命。筆者所在公司針對U肋與頂/底板角焊縫易出現(xiàn)疲勞裂紋這一工程情況，經(jīng)過深入分析研究、廣泛考察調(diào)研，分析認(rèn)為可通過雙面焊焊接工藝和單面焊雙面成型焊接工藝兩方法解決，并全面調(diào)研了YS-1DT6箱管焊機(jī)、微型焊接小車和聚弧脈沖深熔焊焊機(jī)3種焊接設(shè)備及方案，分析研究認(rèn)為深熔焊可作為解決這一工程現(xiàn)象的理想方案。

筆者所在公司通過不斷優(yōu)化焊接工藝試驗(yàn)方案，最終成功實(shí)現(xiàn)8 mmU肋角焊縫的全熔透焊接，將U肋角焊縫從部分熔透轉(zhuǎn)化為全熔透，提高了焊縫質(zhì)量、改善了U肋的受力特性、提升了橋梁的使用壽命。但是該焊接工藝仍然存在諸多問題，尤其是焊接自動化方面還不能達(dá)到先進(jìn)制造企業(yè)水平，高效的自動化焊接應(yīng)用還是空白，仍然需要研究人員不斷探索。

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