安海灣特大橋主橋鋼箱梁U肋內焊技術分析

周宇琦，岳雪姣，閆 晨

（中交一公局廈門工程有限公司，福建 廈門 361000）

在如今的大跨徑橋梁中，正交異性鋼橋面板U肋因其輕量化和安裝簡易的特點得到了廣泛應用。傳統U肋加工只能從外側施焊，形成一道單面角焊縫，這種角焊縫受力呈偏心狀態，在荷載作用下，角焊縫根部受彎曲應力過大，容易出現疲勞裂縫。應用U肋內焊技術，通過焊接機器人在U肋內側增加一道角焊縫，將U肋與橋面板之間的連接焊縫變為雙面焊縫，從根源上消除U肋角焊縫偏心受力問題，從而有效避免焊縫處疲勞裂紋的出現。

1 工程概況

安海灣特大橋是海西高速公路網泉廈漳城市聯盟路重要的控制性工程，主橋長度為570m，是跨徑布置為（135m+300m+135m）的混合梁連續剛構橋，上下行分幅布置，中跨中間103m為鋼箱梁，箱梁頂面設有2.5%的橫坡。頂板采用U肋加勁，上口寬300mm、下口寬170mm，高度為280mm、間距600mm，U形加勁肋厚度為8mm。在剛度過渡段鋼橋面板頂板上緣仍保持平齊，U形加勁肋保持底緣平齊，加勁肋高度隨頂板厚度的變化上口由300mm變為295mm，高度由280mm變為270mm。為消除正交異性板的疲勞問題，U肋與頂板采用雙面焊，U肋內側采用角焊縫，外側采用坡口焊。U肋內焊示意圖如圖1所示。

圖1 U肋內焊示意圖（單位：mm）

2 U肋內焊施工工藝

2.1 U肋內焊的基本原理

U肋內焊工藝流程主要由龍門焊接平臺、焊接主控系統、內焊機器人、行走軌道、工件液壓定位固定系統、焊接冷卻系統、焊接煙塵處理系統和視頻監控系統8個部門組成。通過將焊槍送入U肋內部焊接位置，對難以施焊部位進行焊接施工，從而將傳統U肋的單面焊工藝改變為雙面焊，這樣可進一步提升U肋整體力學性能。U肋內焊平臺如圖2所示。

圖2 U肋內焊平臺

2.2 U肋內焊的技術難點

U肋內部角焊縫與外部焊縫相比，檢測困難且出現焊接質量問題后不易修復。因此，焊接過程的質量保障為控制重點，如何提高U肋內焊一次成功率，成為整個U肋內焊過程中的重中之重。因此，在實際施工過程中，從以下5個方面在U肋內焊施焊過程中，對焊縫質量進行控制：（1）焊槍在U肋內部行進的可靠性。焊接平臺使用連桿進行剛性連接，通過連桿驅動焊接機器人在U肋內部行進，以此保證焊接機器人行進時速度均勻、行進線形順直，從而保證內焊焊縫的一致性。（2）遠距離送絲技術。在整個U肋內焊過程中，最遠距離焊絲送絲可達22m，焊接過程焊絲送絲速度能否穩定會直接影響焊接質量，因此采用雙驅動超長送絲系統的送絲設計，可減小送絲阻力，確保送絲速度的穩定性。（3）焊槍跟蹤技術。在整個U肋焊接過程中，全程使用焊槍跟蹤技術對整個焊接過程進行實時管控，通過手動配合自動的方式調整焊槍的實時位置及送絲情況，可確保焊接過程的穩定性。（4）低飛濺焊接工藝。焊接飛濺會對焊接質量造成影響，U肋內焊過程中，密閉空間的焊接飛濺可能導致焊槍噴嘴及導電嘴堵塞，造成斷弧現象，形成焊接質量隱患。因此，在焊接過程中，可采用實心焊絲配合三元混合體保護焊的焊接工藝，這樣不僅可以減少焊接飛濺，還可以確保焊縫外觀的美觀度。（5）視頻監控技術。在焊接過程中，接入高清視頻監控系統，跟隨焊槍連桿，實時跟蹤焊縫成品外觀。在后期檢測過程中配合外部探傷數據，隨時調閱追溯存在疑問部位的影像資料，通過數據加圖像的方式，確認焊縫質量是否滿足要求。高清焊接視頻在線監控系統如圖3所示。

圖3 高清焊接視頻在線監控系統

3 U肋內焊焊接工藝

通過U肋內焊系統焊接U肋板單元的整個工藝流程如下：U肋板單元件組裝（半自動或全自動）→焊接U肋內部角焊縫→焊接U肋外部角焊縫→U肋板單元件校正→U肋外部角焊縫檢測（常規方法檢測）→U肋內部角焊縫檢測（專用檢測設備檢測）→修補（若有）→U肋外部角焊縫修補（常規方法）→U肋內部角焊縫修補（專用設備）→驗收。首先，將打磨完成的焊接工件底板和肋板整齊地擺放在焊接平臺上，通過操縱液壓站，使工件與定位裝置對齊貼合，使工件精準定位，通過卡具固定工件，然后調節一體機中組立機設備將需要組立的板肋壓緊，采取機械自動點焊臨時固定。焊縫處打磨及臨時固定如圖4所示。

圖4 焊縫處打磨及臨時固定

通過內焊機頭操作箱操作調整焊槍高度及左右位置使其與焊接工件施焊部位相匹配。確認焊槍位置后，操作龍門焊接平臺，使工件達到起始焊接位置，開啟焊槍跟蹤并開始手動調節全部焊槍的焊接角度及送絲。待焊槍即將從工件中出來時，通過機頭操作盒結束焊接，移動龍門焊接平臺完成焊槍復位、壓緊夾具復位等動作。

4 U肋內焊焊縫檢測

（1）高清焊接視頻在線監控系統。在焊接過程中，通過高清焊接視頻在線監控系統可以實時觀察位于焊縫表面的像質計的高清圖像，像質計直徑0.1mm（國家標準中最細）。在對整個U肋內焊焊接過程實時監控的同時，還滿足檢測焊后焊縫表面外觀質量的要求。

（2）磁粉探傷機器人。U肋內焊焊縫磁粉探傷機器人可以在U肋內的任意焊縫位置進行磁粉探傷檢測，并通過配套的位移傳感器，對缺陷位置進行定位，為后期缺陷修復提供依據。

（3）超聲波相控陣檢測技術。超聲波相控陣檢測技術可以對U肋內的雙側角焊縫的未熔透高度進行有效無損檢測。在焊縫位置涂刷耦合劑，使用相控陣檢測儀，對焊縫進行二維及線形掃查，通過超聲波在缺陷處傳播差異，確認缺陷位置的深度值，進而得出未熔透的高度值。通過這種檢測技術能對內焊焊縫的縱向缺陷和橫向裂紋等進行有效檢測。

5 U肋內焊的缺陷返修

U肋內部空間狹小，且U肋整體長度較長，內焊出現焊縫缺陷時難以使用人工進行修復，因此，使用與內焊焊槍相似的修復機器人進入U肋內部進行返修工作。首先，通過返修機器人對缺陷處進行打磨至焊縫根部，再使用內焊設備對修復處進行補焊。外側采用碳弧氣刨清根，使用磁粉探傷確認無裂紋缺陷后，再施埋弧自動焊進行補焊。返修機器人如圖5所示。

圖5 返修機器人

6 結束語

采用U肋內焊技術，能將傳統的單側焊縫改變成雙側焊縫，從而提高焊縫處抗疲勞能力，從根源上消除疲勞裂紋的產生。雙面焊的施工工藝為對稱施焊，減少了焊接變形，并且焊縫型心與U肋型心對齊，提高了整體的力學性能。而成套的焊接、檢測、修復體系，也為U肋內焊成品質量提供了有力保證。在整個U肋內焊過程中，先焊內側焊縫再焊外側焊縫的施焊順序，避免了焊縫燒穿等質量問題的產生，為后期外側焊接工藝優化提供了更好的空間。

U肋內焊技術成功實現了將正交異性橋面板單面焊改進為雙面焊，為鋼橋提高使用壽命提供了有力保障，也為焊接工藝優化提供了廣闊的發展空間，對于橋梁鋼結構中正交異性板施工有著重要的應用價值。