橋面板單元U形肋角焊縫焊接技術研究

貝玉成，劉洋，婁猛，徐向軍

中鐵山橋集團有限公司 河北秦皇島 066200

1 序言

溫州甌江北口大橋主橋采用主跨為2×800m的“三塔四跨”雙層連續鋼桁梁懸索橋，主跨的跨度布置為（230+800+800+348）m，主橋全長2088m。

主橋采用板桁結合式整體鋼桁梁，橋面板與主桁共同受力，其中鋼桁架桁高 12.5m，橫向采用兩片主桁，桁間距為 36.2m，標準節間長為10m。吊索均懸吊在下弦節點橫梁外側“牛腿”上，吊點中心線橫向離主桁中心2.8m，吊點中心線縱向間距為10m。主桁上下弦桿均采用箱形截面，斜桿和豎桿均采用H形截面。主桁節點為全焊接整體節點，腹桿與節點板的連接均采用焊接，主橋標準節段構造如圖1所示。

上層及下層公路橋面采用正交異性板結構，由橋面板、U形加勁肋、板肋和倒T形橫梁組成。U形肋橫向間距600mm，U形肋和板肋全橋連續，遇到橫梁的腹板時要開孔穿越，橋面板單元如圖2所示。

圖2 橋面板單元示意

2 板單元U形肋角焊縫技術要求

橋面板單元采用Q345qD和Q420qD兩種材質的鋼板，邊塔及中塔兩側各2個節間采用Q420qD鋼材，其余部分采用Q345qD鋼材。橋面板厚度16mm，U形肋厚度8mm。

為提高正交異性板單元的疲勞性能，除設計要求U形肋角焊縫均需采用內外雙面焊技術，還應滿足角焊縫的熔深不小于U形肋板厚80%的要求。

3 焊接工藝方案選擇

針對U形肋結構的特點，考慮焊接設備、焊接方法、焊接位置等因素，結合以往項目的焊接經驗，提出U形肋角焊縫采用氣體保護焊和埋弧焊兩套焊接方案，并分別進行試驗。

3.1 U形肋氣體保護焊

氣體保護焊較埋弧焊熔深小，為使熔深達到U形肋板厚80%的設計要求，U形肋需加工坡口，具體形式如圖3所示。

圖3 U形肋坡口形式

3種氣體保護焊優缺點對比：實芯焊絲CO2氣體保護焊飛濺大，易堵塞焊槍噴嘴，從而影響氣體保護效果，導致產生氣孔缺陷[1]；藥芯焊絲CO2氣體保護焊飛濺小，焊縫成形性好，但焊后U形肋內側藥皮不易清理，若用于內焊則需要研發單獨的清理配套設備；實芯焊絲富氬氣體保護焊飛濺較小，焊縫成形美觀[2]。

綜合考慮各種焊接方法的優缺點，最終U形肋內側角焊縫采用富氬氣體保護焊，設備為U形肋內焊專用焊接系統（見圖4）；U形肋外側角焊縫采用藥芯焊絲CO2氣體保護焊，設備為U形肋板單元反變形船位焊接機器人（見圖5）。

圖4 U形肋內焊專用焊接系統

圖5 U形肋板單元反變形船位焊接機器人

3.2 U形肋內外埋弧焊

埋弧焊熔深大，焊接熱輸入量大，內側焊縫采用φ1.6mm焊絲焊接，設備為U形肋埋弧內焊專用焊接系統（見圖6）；U形肋外側焊縫采用φ3.2mm焊絲焊接，設備為U形肋埋弧外焊設備（見圖7）。內側角焊縫采用專用埋弧焊劑，焊后藥皮自動脫落，無需研制專用清渣設備。

圖6 U形肋埋弧內焊專用焊接系統

圖7 U形肋埋弧外焊設備

4 焊接工藝試驗

4.1 試驗研究

根據開坡口、U形肋內外采用氣體保護焊，以及不開坡口、U形肋內外采用埋弧焊兩種試驗方案，對Q345qD和Q420qD鋼分別進行工藝評定試驗。以Q345qD鋼為例，焊接工藝試驗研究項目見表1。

表1 Q345qD鋼焊接工藝試驗研究項目

4.2 焊接參數

焊縫施焊時，氣體保護焊、埋弧焊的焊接參數分別見表2、表3，焊后進行焊縫外觀檢查。內角焊縫和外角焊縫外觀均勻，成形良好，外觀質量符合Q/CR 9211—2015《鐵路鋼橋制造規范》要求。試件焊接24h后對U形肋角焊縫試件進行磁粉檢測，焊縫質量滿足GB/T 26952—2011《焊縫無損檢測 焊縫磁粉檢測 驗收等級》2X級要求[3]，通過相控陣檢測熔深均不小于U形肋板厚的80%。

表2 氣體保護焊焊接參數

表3 埋弧焊焊接參數

宏觀斷面酸蝕試驗的結果表明，氣體保護焊坡口根部熔合良好，熔深不小于U形肋板厚的80%；埋弧焊角焊縫實現了熔透，接頭宏觀斷面如圖8、圖9所示。焊接工藝試驗證明兩種焊接工藝方案均滿足設計要求。

圖8 氣體保護焊接頭宏觀斷面

圖9 埋弧焊接頭宏觀斷面

5 方案確定及穩定性試驗

結合我公司以往生產經驗，對兩種焊接方案優缺點進行對比分析，具體見表4。

由表4可知，與氣體保護焊方案相比，埋弧焊方案不用加工坡口，焊縫質量穩定，焊接效率高。考慮焊接穩定性、工期、效率、綜合成本等因素，最終確定板單元U形肋角焊縫采用雙面埋弧焊的生產方式。

表4 U形肋角焊縫焊接方案優缺點對比

焊接工藝確定后，進行U形肋試板、單根U形肋、多根U形肋板單元等大生產試驗，即從試件到小板單元再到足尺板單元，開展逐步漸進試驗研究工作。焊接完成后進行外觀檢查和宏觀斷面試驗，并輔助相控陣檢測、宏觀斷面酸蝕試驗等手段，確保焊接工藝穩定性。焊接試板如圖10所示，相控陣超聲波檢測如圖11所示，酸蝕后斷面宏觀形貌如圖12所示。通過大量焊接數據分析，不斷優化焊接參數，并提升設備效能，從而滿足了生產需求，保證了大橋的焊接質量。

圖10 焊接試板

圖11 相控陣超聲波檢測

圖12 酸蝕后斷面宏觀形貌

6 結束語

1）通過U形肋角焊縫氣體保護焊和埋弧焊方案的焊接工藝試驗結果可看出，兩種焊接方案均可滿足熔深不小于U形肋板厚80%的要求，但后者的穩定性更好，焊接效率高。

2）通過對U形肋角焊縫埋弧焊進行大生產前工藝穩定性試驗，使設備效能達到最佳，保證了溫州甌江北口大橋板單元的焊接質量。