鋼橋制造焊接技術與質量保證

徐向軍， 范軍旗， 劉洪武， 馬立朋， 胡廣瑞

中鐵山橋集團有限公司，河北 秦皇島 066205

0 引言

2022 年我國鋼結構產量首次突破億噸（1.014億噸），其中橋梁鋼結構占7.6%（約771 萬噸）。我國是鋼橋制造大國，近十幾年來依托于港珠澳大橋、滬蘇通長江大橋、平潭海峽大橋、孟加拉國帕德瑪大橋、深中通道、常泰長江大橋等超級橋梁工程，通過鋼橋制造業及上下游單位的共同努力，我國鋼橋制造技術取得了重大發展，橋梁用鋼、焊接材料、鋼橋焊接技術和裝備等都有了重大突破。

在橋梁用材料方面，研發并應用了強度等級更高的Q500q和Q690q鋼；隨著人們環保意識的增強，鋼橋向著更加綠色環保的方向發展，陸續建造了官廳水庫公路特大橋、拉林鐵路藏木特大橋、黑河大橋等耐候鋼橋，Q345～Q420級耐候橋梁鋼被研發應用；不銹鋼與結構鋼的復合鋼板也被普遍用于鐵路鋼橋面制造；在新型橋梁用鋼開發的同時，研發了配套焊接材料和焊接工藝。

在焊接裝備方面，研制了板單元自動組裝定位焊機床、板單元反變形機器人焊接系統、橫隔板單元機器人焊接系統、U 形肋內角焊專機和外角焊專機、U 肋板單元組焊一體機、橫隔板接板焊接機器人、箱形弦桿橫隔板焊接機器人等設備，建成了多條鋼箱梁板單元焊接生產線和鋼桁梁弦桿焊接生產線，應用了小型焊接機器人。在焊接質量檢測方面，應用了先進的相控陣探傷技術，采用了板單元破壞檢測技術，對焊接生產提出更嚴格的管控要求，整體提升了我國鋼橋制造水平。目前我國正在由造橋大國向造橋強國邁進。

1 橋梁用鋼發展

我國橋梁用鋼取得重大突破，繼重慶朝天門長江大橋和南京大勝關長江大橋率先研發應用低碳微合金貝氏體橋梁鋼Q420q 之后，為滬蘇通長江大橋的建造開發了Q500qE 鋼并首次應用，為江漢七橋的建造開發了Q690qE 鋼并首次應用，為官廳水庫公路特大橋的建造開發了Q345qENH 耐候鋼并首次應用，為拉林鐵路藏木特大橋的建造開發了Q420qENH 耐候鋼并首次應用，為黑河特大橋的建造開發了Q420qFNH 耐候鋼并首次應用。在常泰長江大橋上，鐵路橋面應用了316L+Q370qE、316L+Q420qE 和316L+Q500qE 復合鋼板；在川藏鐵路大渡河特大橋上，大量采用Q500qD鋼厚板，最大板厚達96 mm。為保證鋼板具有良好的焊接性，采用低碳、微合金成分設計，控制有害元素含量，降低焊接裂紋敏感性，新型高性能橋梁鋼板化學成分如表1所示。鋼板采用先進的熱機械軋制（TMCP）工藝，為減小內鋼板應力，厚鋼板采用回火處理，從而保證鋼板具有良好的綜合力學性能，鋼板力學性能如表2所示［1-2］。

表1 新型高性能橋梁鋼板主要化學成分（質量分數，%）Table 1 Main chemical compositions of steel plate （wt.%）

表2 鋼板力學性能Table 2 Mechanical property of steel plate

在開發高性能橋梁鋼板的同時，配套研發了高韌性、低氫型焊材。針對Q345～Q420 級耐候鋼，為了保證焊縫金屬的耐候性，焊材熔覆金屬耐候指數I≥6.2或I≥6.5，保證了焊縫與母材的耐候性匹配，滿足設計要求。

2 焊接裝備升級

2.1 橋面板單元焊接裝備

橋面板單元是決定橋梁壽命的關鍵部件，U 形肋與橋面板之間的角焊縫直接承受車輪荷載，易受疲勞破壞，影響橋梁安全和壽命。U 形肋與橋面板的組裝精度是保證U形肋角焊縫焊接質量的前提，在港珠澳大橋制造時研發了U 形肋板單元自動組裝定位機床，如圖1所示，該機床集自動行走、打磨、除塵、定位、壓緊和機器人定位焊于一體，安全環保，極大提高了組裝精度、組裝效率和定位焊縫質量，確保U形肋與橋面板組裝間隙控制在0.5 mm以內［3-4］。U形肋定位焊縫宏觀斷面照片見圖2。

圖1 U形肋板單元自動組裝定位機床Fig.1 Automatic assembling and positioning machine for deck of U-rib

圖2 U形肋定位焊宏觀斷面照片Fig.2 Macro-section of position welding of U-rib

橋面板U 形肋角焊縫采用單面焊，熔深要求達到U 形肋厚度的80%以上，即8 mm 厚U 形肋焊縫熔透深度不小于6.4 mm，且不得焊漏，即達到“透而不漏”的效果。為了保證焊接質量，研發了板單元反變形焊接機器人系統［3］，如圖3所示，每套焊接系統配備4 個焊接機器人，機器人焊接采用先進的電弧跟蹤技術，實時感知焊接電弧狀態，確保坡口根部熔合質量，配合反變形翻轉胎架實施船位焊接，保證了U 形肋角焊縫外觀成形，提高了抗疲勞性能，較傳統的跟蹤器焊接的角焊縫抗疲勞強度提高40 MPa。U形肋角焊縫宏觀斷面照片如圖4所示。

圖3 板單元反變形焊接機器人系統Fig.3 Anti-deformation welding robot system for deck

圖4 U形肋角焊縫宏觀斷面照片Fig.4 Macro-section of U-rib fillet weld

在舟山通道項目中采用U形肋內角焊專機（見圖5），通過U 形肋內側角焊縫和外角焊縫的焊接，實現了U肋角焊縫雙面焊，從而消除了U形肋角焊縫單面焊的焊縫根部的應力集中，提高橋面板的抗疲勞強度。每個焊接龍門架上配備6 個焊臂，每個焊臂上安裝2把焊槍，可以同時焊接板單元上6根U形肋的12條角焊縫，焊接方式有氣體保護焊或埋弧自動焊兩種。

圖5 U形肋內角焊專機Fig.5 Internal welding machine for U-rib

在深中通道項目中研制了正交異性橋面板U形肋組裝焊接一體化系統，該裝備是將U形肋組裝和內焊設備集成于一體，在組裝設備對U形肋與面板連續滾動定位壓緊的同時進行內側角焊縫的埋弧焊接，用U 形肋內角焊取代定位焊縫，避免了定位焊縫對U 肋角焊縫焊接質量的影響。較傳統的先進行板單元組裝定位再進行內角焊的焊接工藝，減少了定位焊工序，在一臺設備上完成組裝和內側角焊縫焊接作業，提高了板單元焊接效率［5］。橋面板U形肋組裝焊接一體化系統如圖6所示。

圖6 U形肋組裝焊接一體化系統Fig.6 Integrated system for assembling and welding U-rib

利用埋弧焊熔深大的優點，將U 形肋埋弧內角焊與U形肋埋弧外角焊工藝相結合，實現U肋不開坡口雙面焊熔透焊接。內角焊采用1.6 mm 焊絲，外角焊采用3.2 mm 焊絲，焊接工藝參數如表3所示。U 形肋埋弧外角焊專機如圖7所示，每臺專機配備6把焊槍，配合反變形翻轉胎實施船位焊接，可同時船位焊接板單元上6 個U 肋的同側6 條焊縫，熔深大，焊縫外觀成形好，焊縫質量穩定，焊接效率高。U形肋雙面焊熔透角焊縫宏觀斷面照片見圖8。

圖7 U形肋埋弧外角焊專機Fig.7 External submerged arc welding machine for U-rib

圖8 U形肋雙面焊熔透角焊縫宏觀斷面Fig.8 Macro-section of fusion penetration fillet weld of double-sidedwelding U-rib

表3 U形肋角焊縫雙面埋弧焊工藝參數Table 3 Process parameters for double-sided submerged arc welding of U-rib fillet weld

2.2 橫隔板單元焊接裝備

根據鋼箱梁橫隔板單元的結構特點，研發了橫隔板單元機器人焊接系統，如圖9所示。每套焊接系統配置2 個焊接機器人，能夠實現加勁肋兩側角焊縫對稱施焊，有效減小焊接變形。還能夠通過程序設置，實現板肋端部自動連續包角焊接，保證了焊接質量，提高焊縫抗疲勞等級［3，6］。加勁肋板端部包角焊縫見圖10。

圖9 橫隔板單元機器人焊接系統Fig.9 Welding robot system for diaphragm element

圖10 加勁肋板端部包角焊縫照片Fig.10 Photo of the boxing at the end of stiffener

鋼箱梁橋的橫隔板接板與頂板、U 形肋角焊縫要求連續焊接，且橫隔板接板與U形肋角焊縫的端部要求包角焊，為此研發了橫隔板接板焊接機器人，焊縫外觀一致性好。橫隔板接板焊接機器人見圖11，橫隔板接板角焊縫外觀照片見圖12。

圖11 橫隔板接板焊接機器人Fig.11 Welding robot system for adapter plate of diaphragm

圖12 橫隔板接板角焊縫外觀Fig.12 Appearance of fillet weld of adapter plate of diaphragm

2.3 鋼桁梁桿件焊接裝備

在常泰長江大橋鋼桁梁弦桿制造中，針對箱型桿件焊接采用橫隔板焊接機器人，見圖13，提高了鋼桁梁焊接自動化。另外，針對箱型和工形桿件主角焊縫采用龍門埋弧焊專機和雙絲埋弧焊技術，提高了焊接效率，見圖14。

圖13 箱型弦桿橫隔板焊接機器人Fig.13 Welding robot for diaphragm of box-type chord member

圖14 龍門埋弧焊專機Fig.14 Gantry welding machine for submerged arc welding

2.4 小型焊接設備

在鋼箱梁、鋼塔節段整體拼裝焊接中，應用小型焊接機器人或跟蹤小車。小型自動化焊接設備機動靈活，提高了自動化程度，改善了焊工的工作條件，提升了焊縫質量穩定性［7］。小型焊接機器人或跟蹤小車焊接照片見圖15。

3 嚴格的焊縫質量檢測

3.1 相控陣探傷技術

在橋梁鋼結構焊縫質量檢測上，除了按照《鐵路鋼橋制造規范》Q/CR 9211-2015、《公路橋涵施工技術規范》JTG/T 3650-2020、《公路鋼結構橋梁制造和安裝施工規范》JTG/T 3651-2022 的規定采用傳統的外觀檢查和超聲波、射線、磁粉探傷外［8-10］，還針對板單元U 形肋角焊縫無損檢測應用先進的相控陣探傷技術，對U 肋角焊縫的熔深進行精確測定，通過角焊縫宏觀斷面與相控陣探傷熔透深度對比，相控陣檢測結果偏差在0.5 mm 以內，相控陣探傷熔透深度與角焊縫宏觀斷面對比結果見圖16。

圖16 相控陣探傷熔透深度與角焊縫宏觀斷面對比Fig.16 Comparison between the penetration depth of phased array inspection and the macro-section of fillet weld

3.2 板單元破壞檢測技術

在常泰長江大橋制造中，針對業內關心的橋面板U 形肋角焊縫質量檢測采用板單元破壞檢測技術，根據不同焊接批次隨機抽取生產的面板單元，切取U 形肋試件進行破壞檢查，見圖17，由質檢人員和監理工程師共同對U 肋角焊縫宏觀斷面的熔透深度進行測量檢查。

圖17 板單元破壞檢查Fig.17 Destructive inspection of deck

板單元破壞性檢查要求對板單元焊接生產提出更嚴格的管控要求，通過嚴格控制板單元U肋的加工精度、采用板單元自動組裝定位機床進行定位焊、焊接前進行班前試板焊接、采用板單元反變形焊接機器人系統焊接U 形肋坡口角焊縫等具體措施，焊接裝備始終處于良好的工作狀態，從而確保焊接質量始終處于穩定水平。

4 結論

（1）高性能橋梁鋼和高品質焊材的開發，為鋼橋制造技術提升和焊接效率的提高奠定了基礎。

（2）現代化的焊接裝備，提升了我國橋梁鋼結構制造水平，改善了焊接作業環境，提高了生產效率。

（3）相控陣探傷技術、板單元破壞檢測的實施，對焊縫檢查更精準、嚴格，要求焊接生產始終保持良好的工作狀態，從而保證焊接質量的穩定性。