鋼橋梁正交異性橋面板U肋焊接工藝研發(fā)與探討

薛長(zhǎng)利，張建國(guó)，孫衛(wèi)國(guó)，楊大偉

中鐵寶橋集團(tuán)有限公司 陜西寶雞 721006

1 序言

鋼橋梁是設(shè)計(jì)使用壽命百年以上的公共建筑，正交異性橋面是眾多鋼結(jié)構(gòu)橋梁的重要組成部分，鋼橋面板與U肋焊縫屬典型的承力焊縫，質(zhì)量要求嚴(yán)格[1，2]。其中，U肋根部裂紋廣受關(guān)注，該類(lèi)裂紋一旦萌生，很可能向橋面板發(fā)展形成貫通裂紋，不僅影響行車(chē)安全，而且返修十分困難。

U肋與面板焊接接頭的焊接方式主要采用部分熔透角焊縫，即未熔透焊。TB 10091—2017《鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》和JTGD 64—2015《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》要求U肋采用單面焊接且熔深為不小于U肋板厚的75%；日本鋼橋疲勞設(shè)計(jì)指南同樣要求確保U肋板厚75%以上的熔透量；美國(guó)AASHTO 規(guī)范規(guī)定熔透深度不小于U肋板厚的80%。

2000年以后，我國(guó)橋梁工程正交異性橋面U肋焊接熔深要求均為U肋板厚的75%～80%，例如鄭新黃河公鐵兩用橋、泰州長(zhǎng)江公路大橋、南沙大橋等重大項(xiàng)目均被采用。近幾年，隨著橋梁裝備制造業(yè)的發(fā)展，又推出了橋面U肋角焊縫全熔透焊接技術(shù)，即在U肋內(nèi)、外側(cè)施焊，使U肋與橋面板之間焊縫熔透。該技術(shù)已在深圳至中山跨江通道工程、連鎮(zhèn)鐵路五峰山長(zhǎng)江大橋、武穴長(zhǎng)江大橋等項(xiàng)目中采用。

2 U肋焊接工藝研發(fā)

伴隨設(shè)計(jì)要求和科技水平的發(fā)展，工程師對(duì)正交異性U肋焊接工藝研究一直未停止過(guò)，通過(guò)試驗(yàn)和施工，開(kāi)發(fā)了一系列U肋焊接工藝。

2.1 藥芯焊絲CO2氣體保護(hù)焊

（1）橫位焊接工藝 20世紀(jì)90年代初，虎門(mén)大橋開(kāi)始建造，正交異性橋面板單元制造無(wú)相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)和經(jīng)驗(yàn)可遵循，設(shè)計(jì)對(duì)U肋焊接熔深沒(méi)有要求，僅對(duì)U肋提出了一些外觀上的要求[3]。針對(duì)這些技術(shù)要求，制造廠制定了金屬粉型CO2氣體保護(hù)焊絲橫位焊接工藝。

虎門(mén)大橋U肋厚度為8mm，按照當(dāng)時(shí)技術(shù)，雖然國(guó)內(nèi)無(wú)法自己壓制U肋，但日本進(jìn)口的U肋坡口為33°，且大小不一，需制造廠二次加工到45°，不留鈍邊，如圖1所示。

圖1 虎門(mén)大橋U肋坡口

虎門(mén)大橋U肋焊接采用金屬粉型藥芯焊絲（型號(hào)MX-200、φ1.6mm）橫位CO2氣體保護(hù)焊工藝，焊接兩道，焊絲干伸長(zhǎng)為20～25mm，氣體流量為25L/min?；㈤T(mén)大橋U肋焊接參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 虎門(mén)大橋U肋焊接參數(shù)

第一道焊絲起弧點(diǎn)距U肋內(nèi)側(cè)邊向外1～1.5mm處，焊槍與橋面板夾角為35°±2°， 虎門(mén)大橋U肋焊接焊槍位置如圖2所示。

圖2 虎門(mén)大橋U肋焊接焊槍位置

由于虎門(mén)大橋?qū)肋熔深沒(méi)有要求，僅對(duì)U肋焊縫外觀進(jìn)行檢驗(yàn)和驗(yàn)收，所以隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，物流節(jié)奏加快，超載現(xiàn)象嚴(yán)重，疲勞導(dǎo)致虎門(mén)大橋U肋角焊縫開(kāi)裂，給后續(xù)運(yùn)營(yíng)帶來(lái)安全隱患。

（2）船位焊接工藝 由于虎門(mén)大橋U肋角焊縫開(kāi)裂，橋梁設(shè)計(jì)和科研單位開(kāi)始對(duì)正交異性橋面板進(jìn)行抗疲勞性研究，得出結(jié)論：U肋熔深不得小于U肋板厚的75%～80%，且不得焊漏。為此，國(guó)內(nèi)各制造廠也開(kāi)展了U肋焊接工藝的開(kāi)發(fā)，提出了船位焊接工藝更能保證焊縫外觀質(zhì)量，于是設(shè)計(jì)U肋焊接專用船型胎，采用藥芯焊絲CO2氣體保護(hù)焊配跟蹤小車(chē)焊接。板厚為8mm的U肋焊縫，采用φ1.6mm焊絲一道焊接完成，φ1.2mm焊絲兩道焊接完成，均要求在30°船位狀態(tài)下焊接。這兩種焊接工藝在鄭新黃河橋、蘇通長(zhǎng)江大橋、舟山西堠門(mén)長(zhǎng)江大橋等國(guó)家重點(diǎn)項(xiàng)目上運(yùn)用，具體工藝及措施如下。

U肋坡口與橋面板的夾角為50°～55°，預(yù)留1～2mm鈍邊，如圖3所示。

圖3 船位焊接U肋坡口

采用藥芯焊絲為E 5 0 1 T-1，焊絲干伸長(zhǎng)為20～25mm，氣體流量25L/min。藥芯焊絲船位焊接U肋工藝參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 藥芯焊絲船位焊接U肋工藝參數(shù)

U肋焊縫需在焊接專用胎架上30°（橋面板與水平面夾角）船位焊接，U肋船位焊接示意如圖4所示。

圖4 U肋船位焊接示意

為了驗(yàn)證工藝是否滿足要求，對(duì)焊縫進(jìn)行宏觀斷面檢測(cè)熔深。焊縫熔深基本能滿足U肋板厚的75%～80%且不焊漏要求，但是焊縫根部容易出現(xiàn)空洞現(xiàn)象，藥芯焊絲船位焊接U肋焊縫宏觀金相如圖5所示。

圖5 藥芯焊絲船位焊接U肋焊縫宏觀金相

從宏觀金相來(lái)看，雖然兩種焊接工藝基本滿足要求，但還是有焊縫根部出現(xiàn)未熔合的小瑕疵，這是因?yàn)樗幮竞附z自身的焊接熔深小，不足以把焊縫鈍邊熔化。

2.2 實(shí)芯焊絲混合氣體保護(hù)焊

由于藥芯焊絲熔深小的特點(diǎn)，所以焊絲指向焊縫根部會(huì)出現(xiàn)焊漏現(xiàn)象，偏離根部則會(huì)出現(xiàn)不能與根部熔合。利用實(shí)芯焊絲自身焊接熔深較大的特點(diǎn)，制造廠開(kāi)發(fā)了實(shí)芯焊絲氣體保護(hù)焊工藝。但實(shí)芯焊絲采用CO2氣體保護(hù)時(shí)飛濺較多，焊縫表面清理困難，另外焊接飛濺容易堵噴嘴出口，焊接過(guò)程得不到CO2氣體保護(hù)容易出現(xiàn)表面氣孔或斷弧現(xiàn)象，造成焊接接頭較多。

采用實(shí)芯焊絲富氬混合氣體（體積比為80%Ar+20% CO2）保護(hù)焊，飛濺小，且船位焊接U肋焊縫比藥芯焊絲CO2氣體保護(hù)焊更容易保證根部熔合良好，此工藝在馬鞍山長(zhǎng)江公路大橋、南京長(zhǎng)江四橋等項(xiàng)目上得到應(yīng)用。

實(shí)芯焊絲混合氣體焊接U肋焊縫工藝如下。

U肋坡口與藥芯焊絲CO2氣體保護(hù)焊船位焊接坡口一致。φ1.6mm實(shí)芯焊絲ER50-6一道焊接完成，焊絲干伸長(zhǎng)為20～25mm，氣體流量為25L/min。實(shí)芯焊絲船位焊接U肋工藝參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 實(shí)芯焊絲船位焊接U肋工藝參數(shù)

實(shí)芯焊絲混合氣體（體積比為80%A r+20%CO2）船位焊接U肋的工藝措施與藥芯焊絲CO2氣體保護(hù)焊船位焊接U肋相同。

對(duì)U肋焊縫進(jìn)行宏觀斷面檢測(cè)熔深，焊縫熔深基本接近熔透，能滿足設(shè)計(jì)要求達(dá)到U肋板厚75%～80%熔透率，但是在焊接過(guò)程中焊絲的角度控制不好的情況下，非常容易出現(xiàn)焊漏現(xiàn)象。實(shí)芯焊絲混合氣體保護(hù)焊船位U肋焊縫宏觀金相如圖6所示。

圖6 實(shí)芯焊絲混合氣體U肋焊縫宏觀金相

2.3 雙絲混合焊

雖然上述兩種U肋焊接工藝均能滿足U肋焊縫設(shè)計(jì)要求，但是在施工過(guò)程中對(duì)工藝措施要求非?？量?，過(guò)程管控比較困難。針對(duì)這些難點(diǎn)，制造廠研發(fā)出一種U肋雙絲焊接專機(jī)，即一個(gè)機(jī)械臂上兩套送絲（分為前絲和后絲）系統(tǒng)，呈前后位置布置，兩套供氣系統(tǒng)。U肋雙絲焊接專機(jī)如圖7所示。

圖7 U肋雙絲焊接專機(jī)

前絲采用實(shí)芯焊絲混合氣體（體積比為80%Ar+20% CO2）焊接，后絲為藥芯焊絲CO2氣體保護(hù)焊焊接，此工藝已經(jīng)在南沙大橋、深中通道等項(xiàng)目中運(yùn)用。具體工藝如下。

U肋坡口與藥芯焊絲CO2氣體保護(hù)焊船位焊接坡口一致。焊絲干伸長(zhǎng)和氣體流量與藥芯焊絲CO2氣體保護(hù)焊船位焊接工藝要求一致，前絲實(shí)芯焊絲直徑為1.2mm，后絲藥芯焊絲直徑為1.6mm，采用橫位焊接?；旌想p絲焊接U肋工藝參數(shù)見(jiàn)表4。

表4 混合雙絲焊接U肋工藝參數(shù)

U肋焊縫需在焊接專用胎架上橫位焊接，前（后）絲焊槍與水平面夾角為43°，前絲起弧點(diǎn)距U肋內(nèi)側(cè)邊向外2～4mm處，U肋雙絲焊接如圖8所示。

圖8 U肋雙絲焊接

對(duì)U肋焊縫進(jìn)行宏觀斷面檢測(cè)熔深，焊縫熔深能滿足設(shè)計(jì)要求大于U肋板厚75%～80%熔透率，且沒(méi)有焊漏的現(xiàn)象，焊縫表面沒(méi)有飛濺。前絲主要是利用實(shí)芯焊絲焊接熔深較大的特點(diǎn)，保證了坡口根部的熔合，橫位焊接減少了焊漏現(xiàn)象的發(fā)生；后絲是利用藥芯焊絲飛濺小的特點(diǎn)，保證了焊縫表面成形?？刂拼胧┮蟛皇呛?chē)?yán)格，焊絲焊槍的夾角可在8°范圍內(nèi)調(diào)整，前絲起弧點(diǎn)可在2mm范圍內(nèi)調(diào)整。雙絲混合焊U肋焊縫宏觀金相如圖9所示。

圖9 雙絲混合焊U肋焊縫宏觀金相

2.4 U肋熔透焊

隨著橋梁裝備制造業(yè)的發(fā)展，近幾年又研發(fā)了U肋內(nèi)角焊專機(jī)，隨之正交異性橋面板U肋焊縫要求熔透。U肋熔透角焊縫焊接工藝分為內(nèi)焊、外焊兩部分，均采用埋弧焊的焊接工藝（也有內(nèi)焊采用藥芯焊絲CO2氣體保護(hù)焊焊接），并且U肋無(wú)需加工坡口， U肋熔透焊接設(shè)備如圖10所示。

圖10 U肋熔透焊接設(shè)備

U肋熔透焊操作方法：首先，使用內(nèi)焊機(jī)采用橫位在U肋內(nèi)側(cè)焊接K6mm的貼角焊縫，并形成一個(gè)較大的熔深，然后用外焊機(jī)采用35°船位在U肋外側(cè)焊接確保熔透，內(nèi)焊和外焊分別使用φ1.6mm和φ3.2mm埋弧焊絲（也有內(nèi)焊使用藥芯焊絲）焊接。采用U肋熔透焊接的項(xiàng)目有五峰山長(zhǎng)江大橋、武穴長(zhǎng)江大橋、深中通道等項(xiàng)目。U肋熔透焊接順序如圖11所示，焊接參數(shù)見(jiàn)表5。

表5 U肋熔透焊接參數(shù)

圖11 U肋熔透焊接順序

為了保證U肋內(nèi)焊質(zhì)量，要求焊絲對(duì)準(zhǔn)U肋焊縫中心，起弧后一次性焊接完成，焊接過(guò)程中不得熄弧，否則無(wú)法實(shí)現(xiàn)連續(xù)焊接。

從宏觀金相來(lái)看，確實(shí)保證了U肋熔透要求，U肋熔透焊縫宏觀金相如圖12所示。

圖12 U肋熔透焊縫宏觀金相

正交異性橋面U肋內(nèi)焊技術(shù)的運(yùn)用，提高了中國(guó)鋼橋梁制造水平。需要注意的是內(nèi)焊專機(jī)要有很高的穩(wěn)定性，否則不能保證焊縫質(zhì)量。

3 焊接工藝及措施

虎門(mén)大橋橋面疲勞致使U肋焊縫開(kāi)裂是一個(gè)很復(fù)雜的過(guò)程，由設(shè)計(jì)、制造及后續(xù)運(yùn)營(yíng)管理等很多原因造成。

1）藥芯焊絲船位焊工藝充分考慮了設(shè)計(jì)要求達(dá)到U肋板厚75%～80%熔透率，此工藝基本能滿足設(shè)計(jì)要求。由于藥芯焊絲熔深較小的特點(diǎn)，所以容易產(chǎn)生坡口根部未熔合現(xiàn)象。另外，工藝措施要求苛刻，若使用此工藝施焊，就對(duì)操作人員、檢驗(yàn)人員的操作水平及責(zé)任心提出了較高要求。

2）實(shí)芯焊絲混合氣體保護(hù)焊單道焊接工藝也充分考慮了設(shè)計(jì)要求達(dá)到U肋板厚75%～80%熔透率，此工藝?yán)脤?shí)芯焊絲熔深較大的特點(diǎn)，制定合理的工藝，采用船位焊完全能保證焊縫熔透率，但是很容易出現(xiàn)焊漏，很大程度導(dǎo)致根部裂紋的產(chǎn)生，為此解決焊漏問(wèn)題成為控制U肋焊縫質(zhì)量的重中之重。

3）雙絲混合焊焊接U肋焊縫工藝，前絲解決了焊縫熔深問(wèn)題，后絲解決了焊接飛濺問(wèn)題，一旦工藝制定合理、焊絲位置調(diào)整到位，就可以解決焊縫熔深要求的難題，但是此工藝僅能在專用焊機(jī)上使用。

4）U肋內(nèi)外焊熔透焊焊接工藝能滿足U肋全熔透要求，工藝的關(guān)鍵在于內(nèi)焊不得焊偏，要求內(nèi)焊設(shè)備穩(wěn)定性好，U肋內(nèi)部焊縫一旦出現(xiàn)缺陷很難返修或根本無(wú)法返修，無(wú)法保證熔透。

總之，在上述幾種成熟的焊接工藝中，不管采用何種方法焊接，U肋機(jī)加工和組裝精度均需滿足技術(shù)要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

合理的焊接工藝可提高正交異性橋面結(jié)構(gòu)抗疲勞性能，U肋熔深控制、焊縫外觀質(zhì)量滿足要求也是提高抗疲勞性的一種措施。通過(guò)總結(jié)研發(fā)出的以上幾種U肋焊接工藝，在實(shí)施過(guò)程中各有優(yōu)缺點(diǎn)，得出以下結(jié)論。

1）采用藥芯焊絲焊接，坡口根部容易產(chǎn)生未熔合。實(shí)芯焊絲船位單道焊對(duì)電弧燃燒位置要求極高，措施控制不合理容易出現(xiàn)焊漏現(xiàn)象。

2）雙絲混合焊實(shí)芯焊絲保證了焊縫熔深，藥芯焊絲保證了外觀質(zhì)量。

3）U肋內(nèi)外埋弧焊能夠?qū)崿F(xiàn)熔透焊接，進(jìn)一步提高了橋面板的焊接質(zhì)量。