鋼橋面板U肋角焊縫全熔透焊接工藝研究

裴雪峰，車平，馮輝

中鐵寶橋集團有限公司 陜西寶雞 721006

1 序言

正交異性鋼橋面板以其自重輕、承載能力大、跨越能力強等優點，在大跨度橋梁中得到廣泛應用。但在垂直的集中荷載作用下，面板會產生如圖1所示的結構變形，U肋與面板連接處承受相互平衡的3個彎矩的共同作用，焊縫兩側力矩交替變化，于是在焊根和焊腳處產生彎曲次應力，疲勞裂紋便從焊腳和焊根處萌生并擴展。在輪載作用下，橋面板和U肋產生反復面外變形，U肋角焊縫根部不停地開合，在內焊設備未開發出來之前，焊縫內部無法焊接。由于焊根處為一個天然缺口，應力集中較為明顯，同時，在加工制造環節，容易在焊縫根部產生焊接缺欠，由缺欠引起的應力集中也降低了該部位的疲勞強度，因此導致鋼橋面板服役到一定壽命后U肋焊縫開始出現疲勞開裂等現象，影響到橋梁的耐久性[1，2]。

圖1 局部輪載下面板的面外變形示意

近二十年來，國內的多家機構對正交異性鋼橋面板的疲勞問題進行了大量研究。統計數據表明，U肋與面板焊縫疲勞開裂約占正交異性鋼橋面板疲勞裂紋總數的18.9%[3]，裂紋總長度遠遠大于其他位置的疲勞裂紋。因此，U肋與橋面板連接焊縫成為設計及施工單位重點關注的部位。

2 U肋與橋面板焊縫設計演變

在內焊設備未開發出來之前，相關規范均要求U肋與橋面板焊縫熔透深度不低于U肋板厚的75%，且須滿足焊縫有效厚度大于U肋板厚。試驗表明，只要制造時采取合理的焊接工藝，焊縫疲勞性能就能基本滿足設計要求，但在規模化生產制造中，75%的熔透深度往往很難100%達到要求。

U肋內焊技術的出現，解決了U肋內部角焊縫無法焊接的難題。U肋內部采用角焊縫焊接后，在車荷載作用下，面外變形引起的焊根頻繁開合得到約束，根部未熔化的鈍邊被周圍彈塑性較好的母材和焊縫包圍，原焊根部位由面外變形引起的拉應力大幅降低，改善了該處的次應力分布和應力集中情況，因而焊縫疲勞性能得到大幅提高[4]。武漢沌口長江大橋成為世界上首次應用U肋角焊縫雙面焊的鋼橋梁項目。

近年來，隨著U肋內焊技術的發展，U肋內焊焊接方法也由氣體保護焊發展到細絲埋弧焊，一些設計單位對U肋角焊縫要求也從雙面焊接到雙面全熔透焊接，如青山長江大橋、嘉魚長江大橋、石首長江大橋及甌江北口大橋等項目要求雙面焊部分熔透，焊接工藝使用了雙面氣體保護焊工藝，而湖北武穴長江大橋、四川金沙江長江大橋、江漢七橋及深中通道項目要求U肋角焊縫全熔透焊接，目前部分項目已完工或正在生產中，如圖2~圖5所示。

圖2 U肋氣體保護內焊

圖4 U肋內焊（埋弧焊）

圖5 U肋外焊（埋弧焊）

3 U肋全熔透焊接工藝研究

3.1 U肋全熔透焊接方案確定

U肋角焊縫要實現全熔透焊接，目前業內主要有兩種焊接工藝方式，即雙面氣體保護焊和雙面埋弧焊，中鐵寶橋集團有限公司全面總結了以往所建項目的焊接經驗，分析對比了兩種焊接方法的優缺點（見表1），最終確定采用雙面埋弧焊焊接方案，以保證U肋角焊縫熔透率。

表1 U肋角焊縫全熔透焊接工藝對比

3.2 U肋全熔透焊接工藝試驗

針對U肋角焊縫雙面埋弧焊工藝，中鐵寶橋集團有限公司先后進行單板焊接試驗及實體板單元模型件焊接試驗，累計耗費試驗鋼板約140t，為板單元U肋角焊縫全熔透焊接工藝制訂積累了豐富的經驗。

（1）雙面埋弧焊工藝試驗研究 在焊接設備改制完成前，采用大量的單板模擬試驗。隨著試驗的逐步深入及經驗總結，對雙面埋弧焊工藝進行了多次調整和優化，焊縫合格率逐步達到了全熔透一次合格率≥96%的要求，具體試驗數據見表2。

表2 U肋全熔透工藝試驗數據

（2）設備及工藝穩定性試驗 在設備改制完成后，進行U肋實體板單元模型試驗，驗證設備性能，摸索、固化并穩定焊接工藝。

先后3次共使用13塊板單元實體模型（L=9m）進行試驗（見圖6~圖10），經過人員、設備磨合及工藝參數調試等不穩定期，試驗板單元U肋焊縫全熔透一次合格率穩定在97%~99%之間，達到了試驗預期目標。

試驗項目熔透合格率見表3。

試驗所采用的焊接參數見表4。

圖6 板單元模型試驗

圖7 U肋實體模型試驗

圖8 單板試驗U肋斷面照片

圖9 實體開口模型試驗U肋斷面照片

圖10 實體模型試驗U肋斷面照片

表3 U肋角焊縫全熔透工藝穩定性試驗項目

表4 U肋角焊縫全熔透試驗焊接參數

4 U肋全熔透焊接工藝的應用

深中通道是集“橋、島、隧、水下互通”于一體的世界級跨海通道工程，制造標準高。項目主體工程全長約24.03km，跨海長度22.39km，陸域段長度1.64km，其中橋梁工程全長約17km，鋼箱梁總量約28萬t，公司參與制造的伶仃洋大橋鋼箱梁（1/2）及西泄洪區非通航孔橋鋼箱梁，工程量約9.11萬t，設計明確要求鋼橋面板U肋角焊縫采用全熔透焊接。

應用前期U肋角焊縫全熔透焊接試驗成果，指導深中通道首塊橋面板單元生產。橋面板單元首制件生產時，對雙向定尺板材預處理后，利用劃線平臺劃出板塊縱橫基準線、U肋組裝位置線。U肋角焊縫焊接采用先內焊、后外焊的方式進行，焊接時重點控制焊絲角度及焊接參數，保證焊縫全熔透和焊縫外觀成形。

橋面板單元首制件U肋角焊縫長度120m，一次無損檢測合格率為97.7%，焊縫缺欠主要集中在端部手工清根位置，主要表現為氣孔、夾渣，對超標缺陷返修后合格率為100%。

橋面板單元首制件經監理及第三方檢測單位聯合驗收，一致認為符合質量驗收標準要求，同意橋面板單元進行批量生產。

5 板單元U肋全熔透焊接工藝探討

從U肋角焊縫全熔透板單元焊接實際情況來看，焊接工藝穩定可靠，焊縫外觀質量優良，熔透率滿足設計文件要求。但是，在焊接過程中，以下問題應引起重視。

5.1 關于焊縫缺欠問題

（1）焊縫端部缺欠 原因分析：由于無法使用引弧板、引出板，U肋角焊縫兩端引熄弧部位約150mm范圍內焊設備均不能到達，此部位需要進行碳弧氣刨后手工焊接，人為因素影響較大。

建議：對內焊設備進行改造，使兩側焊槍前后錯開距離降低至80mm，可使手工焊接工作量減半，降低人為因素對焊縫的影響。

（2）焊縫其余部位缺欠 原因分析：①組裝后橋面板U肋焊縫直線度較差，且U肋與面板間隙局部不滿足技術要求。②內焊、外焊焊槍角度控制不當，每次施焊焊槍角度存在一定差別。③在焊機龍門架行走過程中，存在輕微的振動，導致焊絲角度發生波動，偏離既定焊接位置，易產生未焊透。④焊劑長時間暴露于空氣中吸潮，定位焊縫打磨時形成的粉末狀鐵屑和漆膜粉塵等進入焊縫根部，內焊時易在焊縫中形成氣孔。

建議：①優化U肋組裝定位焊順序，嚴格控制U肋與面板直線度及組裝間隙。②制作角度樣板，固化內焊、外焊焊槍角度，避免人為因素的影響；外焊旋轉胎架增加角度刻度盤和轉角限位器，以精確控制胎架角度。③對內焊設備行走平臺進行改造，使其與內焊工裝平臺間無間隙、無高差銜接，保證內焊焊機行走機構的穩定性，降低設備對焊接質量的影響。④專門針對內外焊設備配置焊劑烘干箱，做到焊劑方便烘干、隨用隨取；將定位焊縫打磨工序由內焊前調整至內焊后進行。原因是內焊后，U肋與面板間隙消除，從根本上杜絕了粉末狀鐵屑等進入焊縫根部的可能，然后再采用壓縮空氣對焊縫部位進行清理。

5.2 關于 U肋焊縫返修問題

焊接缺欠的返修是焊接過程中無法避免的問題。在U肋角焊縫全熔透焊接時，受多方面因素影響，焊縫中也會存在諸如氣孔、夾渣等焊接缺欠，但U肋全熔透角焊焊縫的返修具有特殊性。有多位專家表示，U肋全熔透角焊縫返修弊大于利，一方面是焊縫返修難度極高，且易在焊縫根部形成裂紋及焊瘤等難以避免的缺陷；另一方面，焊縫經返修后在該部位造成了更大的、分布更加復雜的殘余應力，導致抗疲勞性能明顯下降[5]。目前，U肋全熔透角焊縫檢測、驗收尚無國家標準和行業規范，每個項目按照各自制定的標準執行，為減少返修對結構帶來的二次損傷，應在參考國內外標準的基礎上，制定更加合理可行的檢測、驗收指標。

5.3 關于內側焊縫清渣問題

目前，U肋板單元內焊清渣基本采用豎轉傾倒式，即將板單元沿長度方向提起來一定角度，通過敲擊的方式使焊劑自行脫落，如圖11所示。作為自動化焊接設備應當具備的配套功能，現有清渣過程耗時耗力，對環境污染大，安全風險高。因此，建議研發小型機器人設備用于內焊清渣，實現清渣的自動化作業，提高功效，降低安全風險。

圖11 板單元傾倒式清渣

6 結束語

隨著U肋內焊技術日趨發展完善，不但很大程度上解決了U肋焊縫從內側根部開裂的問題，而且提高了U肋焊縫的抗疲勞能力。

1）在鋼結構U肋埋弧焊接過程中，只要采取適當的焊接工藝，即可實現U肋焊縫全熔透焊接。

2）如果要減少U肋焊縫返修對結構帶來的二次損傷，應制定合理的U肋全熔透焊縫檢測及驗收規范，在保證焊縫質量的前提下，減少不必要的焊縫返修。