自動化焊接在熱軋變截面U 肋工藝上的應用
——以廈門翔安大橋為例

■黃俊平

（福建省交通建設工程監理咨詢有限公司，福州 350002）

正交異性鋼橋面板因結構重量輕， 施工周期短，在大跨度橋梁中得到廣泛應用。 然而，鋼橋面板結構疲勞開裂的問題突出，特別是縱向U 肋加勁與橋面板連接焊縫，其焊根處疲勞裂紋隱蔽，不易察覺，且難以維修。 早期建成的橋梁陸續出現疲勞開裂，與之俱來的是橋梁維護成本的大幅增加。

U 肋內焊技術首次應用于沌口長江公路大橋正交異性鋼橋面板制造中[1]，利用專用焊接設備進入U 肋內側進行內側角焊縫的焊接，可同時焊接6根U 肋12 條焊縫，生產效率高。 U 肋內焊技術將U 肋與橋面板之間的連接焊縫由傳統的單面焊改進為雙面焊，解決了U 肋單面焊的焊根易產生疲勞開裂的問題，從而有效提高鋼橋面板的抗疲勞性能。U 肋與橋面板連接焊縫的焊接工藝從傳統常用的單面氣體保護焊，發展到雙面氣體保護焊，再發展目前推廣應用的雙面埋弧焊，傳統的橋面板U 肋板厚為8 mm，采用雙面埋弧焊工藝可實現U 肋免開坡口熔透焊接。 張清華等[2]研究表明，焊腳尺寸是縱肋與頂板新型雙面焊構造細節是疲勞抗力的一個關鍵影響因素，適當增大焊腳尺寸可有效降低焊趾起裂疲勞失效模式的等效結構應力幅值，進而提升焊趾起裂疲勞失效模式的疲勞性能。熱軋變截面U 肋相比冷彎U 肋可減少加工階段產生的殘余應力，此外，U 肋壁厚尺寸在端部處變厚，等效于增大焊腳尺寸，有利于進一步提高焊趾起裂疲勞失效模式的疲勞性能。

廈門翔安大橋鋼箱梁采用端部厚度為16 mm的熱軋變截面U 肋， 要求采用雙面焊且熔透焊接。鋼箱梁由振華重工和武船重工兩家企業承制，針對熱軋變截面U 肋焊接質量要求，兩個鋼橋制造廠開展了相應的焊接試驗研究工作，采取了不同的焊接設備和焊接工藝，均滿足項目要求。

1 焊接方案

廈門第二東通道項目鋼箱梁橋面板結構設計見圖1， 采用新型熱軋變截面U 肋加勁， 材質Q420D，U 肋頂部厚度16 mm， 側壁厚度12 mm，在端部區域U 肋向內側變厚至16 mm，要求U 肋與橋面板連接焊縫雙面熔透焊接（焊縫長度90%以上達到熔透，未熔透焊縫深度不低于U 肋板厚的90%）。熱軋變截面U 肋實物斷面見圖2。

圖1 翔安大橋橋面板結構設計

圖2 熱軋變截面U 肋實物斷面

內焊技術可有效提高U 肋焊縫的疲勞強度，同時采用U 肋內焊技術也是保證U 肋熔透焊接的必要手段。氣體保護焊和埋弧自動焊是U 肋焊接的兩種常用工藝，從焊接工藝方案上分類，熱軋變截面U 肋雙面焊方案一共有4 個組合，分別為：（1）內氣保焊+外氣保焊；（2）內氣保焊+外埋弧焊；（3）內埋弧焊+外氣保焊；（4）內埋弧焊+外埋弧焊。現國內的專業廠家已開發出相應的自動化焊接設備，包括U肋內焊專機（氣保焊或埋弧焊）、U 肋門式多頭焊接機（氣保焊或埋弧焊）、U 肋機器人焊接系統（氣保焊或埋弧焊）等。 由于內焊縫主要在U 肋內側起到封底作用，其焊縫熔深有限，因此增加外焊縫打底焊道的有效熔深是實現U 肋熔透焊接的重要途徑。而埋弧焊工藝的焊縫熔深大于氣保焊工藝， 因在焊接工藝選擇上，優選2 種方案，一是“內氣保焊+外埋弧焊”，二是“內埋弧焊+外埋弧焊”。

為了進一步提升焊接效率，武船重工開發了基于雙絲雙弧埋弧焊工藝的U 肋門式多頭焊接機。雙絲雙弧埋弧焊工藝的每根焊絲分別由一臺埋弧焊電源獨立供電，前絲用直流反接獲得較大熔深，后絲用交流供電，改善焊縫成形，該工藝具有熔深大、熔敷速度高、焊接速度快的特性。

熱軋變截面U 肋是一種新型的型材， 其熱軋、坡口加工工藝，在本項目中首次使用，因此在裝配前需對坡口角度、坡口鈍邊進行檢查，確保來料U 肋符合項目要求， 對不符合處需進行打磨處理。裝配前，對焊接區域頂板、U 肋進行打磨處理，將焊縫兩側20～30 mm 范圍內的鐵銹、油污、預涂底漆打磨干凈，露出金屬光澤，并對裝配間隙進行檢查，嚴格控制裝配間隙≤0.5 mm.同時控制定位焊質量，減少打磨量，保證定位焊尺寸在4～6 mm，確保外埋弧能將定位焊熔掉。

2 自動化焊接技術的應用

2.1 基于“內氣保焊+外埋弧焊”工藝

2.1.1 U 肋內焊

焊接前根據U 肋尺寸調節內焊設備焊槍角度，對其進行焊接，確保焊縫根部熔透。 U 肋氣保焊內焊設備見圖3，氣保焊內焊細節見圖4。 采用實心焊絲富氬（80%Ar+20%CO2）氣保焊工藝，焊絲型號ER50-6，直徑1.2 mm，氣體流量20 L/min，干伸長25 mm，焊接電流320 A，電弧電壓31 V，焊接速度340 mm/min。

圖3 U 肋氣保焊內焊設備

圖4 氣保焊內焊細節

2.1.2 U 肋外焊

采用激光焊縫跟蹤系統，利用四頭埋弧焊接機器人進行U 肋埋弧外焊的焊接，機器人在激光焊縫跟蹤系統導引下時刻對位焊縫，保證焊槍與焊縫重合，完成焊接系統進行船形自動跟蹤焊接。 U 肋埋弧外焊機器人系統見圖5，機器人埋弧外焊過程見圖6。焊絲直徑3.2 mm，干伸長30 mm，焊接電流660～700 A，電弧電壓30～32 V，焊接速度400 mm/min。

圖5 U 肋埋弧外焊機器人系統

圖6 機器人埋弧外焊過程

常規的埋弧自動焊，大線能量焊接，自動化效率高，成型美觀，但并非高精度的焊接技術，對于薄板焊接也不適合， 但因U 肋全熔透焊接技術的需要，埋弧自動焊有了用武之地，傳統的機械跟蹤精度相對較低，為此埋弧焊接機器人引進激光跟蹤系統，精確定位，跟蹤精度±0.2 mm。 U 肋全熔透技術是對U 肋內部采用內焊專機進行角焊縫焊接，在外部不清根的情況下對坡口根部采用大熔深埋弧焊接，將鈍邊熔穿，達到熔透的目的，因此外側埋弧焊接對于全熔透技術在目前是必須的。 外側焊接，盡管電流越大，越能滿足熔透要求，但電流越大，設備性能越不穩，同時也會出現焊穿的情況，因此焊接參數不能一味求大。 埋弧焊接，由于采用焊劑的原因，在焊接過程中是無法觀察電弧的，靠人工調節焊槍角度精度差，偏差較大時無法達到全熔透，因此采用激光跟蹤系統就很好地解決了這個問題。

在保證打底焊縫熔透的同時，既可以選擇埋弧設備蓋面， 也可以選擇CO2氣保焊機器人焊接蓋面，盡管蓋面要兩道，但解放了埋弧焊接機器人設備，外焊打底焊接完成的板單元流轉至其他工位蓋面，實現流水線作業，提升了焊接效率。 U 肋氣保外焊機器人系統見圖7，采用了焊縫電弧跟蹤技術。

圖7 U 肋氣保外焊機器人系統

2.1.3 無損檢測

完工的U 肋板單元采用超聲波探傷進行檢測，檢測范圍為每條焊縫兩端各1 m，經統計，采用“內氣保焊+外埋弧焊”工藝，焊縫熔透比例超過了95%，未焊透焊縫的熔深達到U 肋板厚的90%以上，焊縫質量滿足設計要求。

2.2 基于“內埋弧焊+外埋弧焊”工藝

2.2.1 U 肋內焊

采用機加工開制焊接坡口，鈍邊1.5 mm，坡口張口15 mm，坡口角度約52°。 埋弧內焊參數：電流380 A，電壓33.5 V，焊速300 mm/min，采用直槍頭焊接。 埋弧內焊過程見圖8，埋弧內焊外觀成形見圖9，從圖中可看出焊縫外觀成形良好。 內焊縫在外坡口內的焊縫成形（圖10），部分內焊縫熔透鈍邊在外坡口內成形，做到“透而不漏”。

圖8 埋弧內焊過程

圖9 埋弧內焊外觀成形

圖10 內焊縫在外坡口內成形

2.2.2 U 肋外焊

熱軋變截面U 肋外焊采用單絲埋弧焊打底，雙絲雙弧埋弧焊蓋面工藝。 在單絲埋弧龍門焊接機上打底焊接，焊絲直徑3.2 mm，胎架角度30°，焊接電流670 A，電弧電壓34 V，焊接速度400 mm/min，U 肋外焊埋弧打底焊過程見圖11。

圖11 U 肋外焊埋弧打底焊

完成打底焊后，在雙絲埋弧龍門機上進行蓋面焊接，U 肋龍門多頭雙絲埋弧焊設備（圖12）采用壓力感應焊縫跟蹤系統，有效地保證了焊接過程中焊絲的對準精度。 前焊絲直徑3.2 mm，后焊絲直徑4.0 mm，胎架角度38°。 由于1.5 mm 鈍邊U 肋在完成打底焊后坡口深度4 mm 左右，坡口尺寸較大，采用雙絲埋弧焊進行單道蓋面，焊縫外觀成形控制難度較大，易產生咬邊缺陷，因此對焊接參數進行了反復調整和優化，優化后的焊接參數：前絲焊接電流720～750 A，電壓34～35 V，后絲焊接電流710～730 A，電壓36～38 V，焊速520～580 mm/min。 雙絲埋弧焊蓋面過程見圖13， 熱軋變截面U 肋焊縫外觀見圖14，從圖中可見焊縫外觀成形良好。 雙絲埋弧焊工藝的應用，減少了熱軋變截面U 肋焊縫的焊接道次，有效地提高了焊接效率。

圖12 U 肋雙絲埋弧焊設備

圖13 U 肋雙絲埋弧蓋面焊

圖14 U 肋雙絲埋弧焊焊縫外觀成形

2.2.3 無損檢測

完工的U 肋板單元采用超聲波探傷進行檢測，檢測范圍為每條焊縫兩端各1 m，經統計，采用“內埋弧焊+外埋弧焊”工藝，焊縫熔透比例超過了97%，未焊透焊縫的熔深達到U 肋板厚的90%以上，焊縫質量滿足設計要求。

3 結語

廈門翔安大橋橋面板結構中采用熱軋變截面U 肋加勁，焊接質量要求高，焊接難度高；采用U 肋多頭內焊專機、U 肋氣保外焊機器人、U 肋埋弧外焊機器人、U 肋門式多頭埋弧焊接機等自動化焊接設備，有效地保證了焊接質量，降低了操作人員焊接技能的要求，并且提升了焊接效率；采用焊縫激光跟蹤、焊縫電弧跟蹤、壓力感應跟蹤等焊縫跟蹤技術，保證了焊絲的指向精度，對于焊接質量的控制起到了至關重要的作用。 “內氣保焊+外埋弧焊”與“內埋弧焊+外埋弧焊”2 種工藝，均可滿足熱軋變截面U 肋熔透焊接要求。