鋼橋面板U肋角焊縫全熔透焊接工藝對比研究

曹磊，范軍旗，田文成

中鐵山橋集團有限公司 河北秦皇島 066200

1 序言

正交異性鋼橋面板結構具有重量輕、承載能力大、經濟性好的特點，應用非常廣泛。但正交異性鋼橋面板的細節構造和制造工藝對其疲勞耐久性影響較大，經過長時間的使用后發現疲勞裂紋問題突出，影響橋梁的使用壽命和運行安全。其中，U肋與頂板連接焊縫的疲勞開裂以焊腳和焊根為裂紋源，分別向頂板、U肋腹板和焊縫內部擴展。U肋與頂板連接焊縫采用雙面焊可大大降低焊根部位出現疲勞開裂的可能性[1]，通過雙面焊實現U肋焊縫全熔透焊接，可以減小U肋與面板焊接接頭局部的應力集中現象，提高其疲勞壽命，這也是解決疲勞裂紋問題的一個重要途徑。

在試驗室條件下，采用不同的U肋坡口形式，選用CO2氣體保護焊、富氬氣體保護焊、埋弧焊等不同的焊接方法進行工藝試驗，均可實現U肋角焊縫全熔透焊接。為了檢驗多種全熔透焊接工藝方案在車間生產條件下的實際效果，專門制作試驗板單元，使用專用生產設備進行進一步的驗證。

2 試驗方案確定

初步選定在試驗室條件下能夠實現的U肋角焊縫全熔透的4種工藝方案，模擬車間生產條件，分別制作板單元進行試驗，U肋板厚為8mm。

（1）方案1 U肋外側開坡口，坡口尺寸和接頭形式如圖1所示。內側采用富氬氣體保護焊，外側采用埋弧焊工藝，該方案的焊接參數見表1。

圖1 方案1的U肋坡口尺寸和接頭形式

表1 方案1的焊接參數

（2）方案2 U肋不開坡口，接頭形式如圖2所示。內側采用細絲埋弧焊，外側采用粗絲埋弧焊工藝，該方案的焊接參數見表2。

表2 方案2的焊接參數

圖2 方案2的接頭形式

（3）方案3 U肋內側開坡口，坡口尺寸和接頭形式如圖3所示。內側采用氣體保護焊，外側采用粗絲埋弧焊工藝，該方案的焊接參數見表3。

圖3 方案3的U肋坡口尺寸和接頭形式

表3 方案3的焊接參數

（4）方案4 U肋外側開坡口，坡口尺寸和接頭形式如圖4所示。內側采用富氬氣體保護焊，外側采用CO2氣體保護焊工藝U肋的坡口尺寸和接頭形式，如圖4所示。該方案的焊接參數見表4。

圖4 方案4的坡口尺寸和接頭形式

表4 方案4的焊接參數

3 試件準備

試驗板單元材質為Q 3 4 5 q D，長度為6 m、10m，寬度為3.6m的U肋共6根。U肋坡口采用專用機床加工，試件組裝前測量并記錄鈍邊尺寸，誤差在0.5mm以內；采用U肋組裝定位焊專用機床組裝U肋，測量并記錄組裝間隙，同時控制U肋與面板的組裝間隙≤0.5mm[2]。

4 試件焊接

試驗板單元的焊接順序采取先內焊、后外焊的方式，有利于控制焊接質量并保證生產效率[3]。

（1）U肋內側角焊縫氣體保護焊和細絲埋弧焊 全部采用U肋內焊專用機床焊接，12條焊縫同時進行平角位施焊，如圖5所示。

圖5 U肋內焊專用機床

氣體保護焊所用氣體為80%Ar+20%CO2，焊絲選用ER50-6、直徑1.2mm，焊接電源具有深透弧功能，可有效增加焊縫熔透深度。

細絲埋弧焊選用S、P含量低的CJQ-3焊絲，直徑1.6mm，配以脫渣性好的SJ501U焊劑，可減小在U肋內部狹小空間清理熔渣的難度。

（2）U肋外側埋弧焊 采用板單元船位埋弧焊專機，如圖6所示。在反變形翻轉胎架上施焊，6條焊縫同時焊接，焊接材料為H10Mn2（φ3.2mm）焊絲+SJ101q焊劑。焊槍前端安裝有接觸傳感式機械跟蹤裝置，可實時跟蹤焊縫位置。

圖6 板單元船位埋弧焊專機

（3）U肋外側氣體保護焊 采用U肋板單元機器人焊接系統，如圖7所示。在反變形翻轉胎架上預制反變形后焊接，最多4條焊縫同時施焊。機器人具有電弧跟蹤功能，可以隨時根據焊接電流、電弧電壓的變化判斷焊接位置，實時糾偏。CO2氣體保護焊焊接材料選用E500T-1、直徑1.4mm。

圖7 U肋板單元機器人焊接系統

每種方案準備3～5塊試件，以前期試驗室條件下確定的焊接參數為基礎，試驗時根據實際情況進行適當調整，逐步排除設備故障、人員操作等原因，確保工藝穩定。

5 試件檢測

焊后應用相控陣超聲波檢測技術[4]，統計合格率。選擇不同部位制取試樣進行斷面酸蝕試驗，根據無損檢測結果和斷面酸蝕宏觀形貌分析缺陷原因，工藝穩定后的板單元典型斷面酸蝕宏觀形貌如圖8～圖11所示，試件相控陣超聲波檢測結果見表5。

表5 試件相控陣超聲波檢測結果

圖8 方案1斷面酸蝕宏觀形貌

圖9 方案2斷面酸蝕宏觀形貌

圖10 方案3斷面酸蝕宏觀形貌

圖11 方案4斷面酸蝕宏觀形貌

6 試驗結果對比

（1）檢測合格率 在車間生產條件下進行試驗，方案1焊縫檢測合格率達到了97.11%，12條焊縫中有10條存在未熔透的部位，個別焊縫熔透率較低（81.67%）。

方案2焊縫檢測合格率達到了98.51%，12條焊縫中7條焊縫合格率100%，熔透效果較好；方案3焊縫檢測合格率達到了99.72%，12條焊縫有10條檢測合格率為100%；方案4焊縫檢測合格率為79.15%，12條焊縫中有10條存在缺陷，合格率較低。

方案1、方案2和方案3的U肋外側焊縫焊接均采用埋弧焊工藝，內側焊縫的坡口形式和焊接方法分別為不開坡口氣體保護焊、不開坡口細絲埋弧焊和開坡口氣體保護焊，檢測合格率依次提高。方案4的U肋外側開坡口、內側與外側焊縫焊接均采用氣體保護焊，檢測合格率與其他方案相比，合格率相對較低。

（2）熔深 通過檢查斷面酸蝕宏觀形貌發現，方案1和方案4的U肋內側不開坡口，采用氣體保護焊時熔池形狀和位置偏差較大，焊縫有效熔深不穩定，最大超過3mm，而最小僅為0；方案2的U肋內側不開坡口，采用細絲埋弧焊時，同樣存在熔池形狀和位置偏差，但相對來說熔深較大，穩定性較好，有效熔深均在2mm以上；方案3的U肋內側開坡口焊接，對增加熔透深度效果明顯，同樣采用氣體保護焊，U肋內側熔深比不開坡口的細絲埋弧焊更高，均在3mm以上。

方案2和方案3的U肋外側不開坡口，與U肋外側開坡口的方案1相比，熔深沒有減小，說明U肋外側是否開坡口對熔深影響不大。埋弧焊的熱輸入大，電弧穿透能力強，在U肋內側有焊腳確保不焊漏的情況下，外側開坡口焊接采用較小的焊接電流，外側不開坡口時增大焊接電流，可以達到同樣的熔深。

7 影響因素分析

方案4的合格率較低，與試驗室條件下的試驗結果差距較大，通過無損檢測發現定位焊部位未焊透缺陷集中，分析原因為：氣體保護焊焊接工藝的自身局限性，熱輸入較小，焊縫熔深淺，熔寬較窄，不能將定位焊焊縫重熔。同時，全熔透焊接對U肋坡口的加工誤差、焊絲對正要求、定位焊焊縫打磨狀態、焊接參數等要求過于嚴苛，在實際生產過程中，U肋坡口加工尺寸、組裝間隙，以及焊槍對焊縫的跟蹤精度等稍有誤差，均會導致焊縫無法全熔透。

結合檢測結果和斷面酸蝕宏觀形貌，分析焊接缺陷的產生還有以下原因。

1）多把焊槍同時焊接時電弧磁偏吹現象嚴重，熔池形狀和位置偏差較大，焊縫有效熔深相差較大，易造成未焊透。

2）U肋內側角焊縫采用機械輪頂緊方式跟蹤，受工件表面形狀、飛濺、雜質的影響，焊槍角度和位置調整不到位，容易出現跟蹤誤差、焊縫焊偏，造成未熔透缺陷。

3）U肋內側采用富氬氣體保護，與CO2氣體保護焊相比，對水分更加敏感，當焊縫部位除濕不到位時，容易出現氣孔缺陷。

4）氣體保護焊屬于明弧焊接，焊接部位溫度過高，壓縮空氣管路受熱破損，以及壓縮氣體泄漏干擾保護氣體時，易出現氣孔缺陷。

5）定位焊縫打磨時形成的粉末狀鐵屑和車間底漆粉塵等雜質進入焊縫根部，在內側焊縫易形成氣孔缺陷[5]。

8 項目應用

根據試驗結果得出：采用埋弧焊焊接U肋外側焊縫的方案1、方案2和方案3，焊縫質量相對穩定，合格率高。采用氣體保護焊焊接U肋外側焊縫的方案4，可以達到全熔透效果，但焊縫合格率偏低，在應用于U肋全熔透焊接車間生產時，需要采取進一步的技術措施并加強過程管控。將方案1、方案2和方案3分別應用于武穴長江公路大橋、深中通道、吉黑高速等項目，以板單元為單位統計焊縫一次檢測合格率，均在96%以上，滿足項目標準要求，取得了良好效果。