鋼箱梁U肋角焊縫全熔透焊接技術(shù)探究

馬立芬+楊春松

摘 要：闡述目前鋼橋梁U肋角焊縫生產(chǎn)制造現(xiàn)狀，分析橋面板與U肋角焊縫易出現(xiàn)疲勞裂紋的原因。通過調(diào)研分析，研究適用于U肋角焊縫全熔透焊接生產(chǎn)的3種可行性焊接方案，對比分析3種焊接方案的優(yōu)缺點，確定最優(yōu)化、最高效的焊接工藝方案。

關(guān)鍵詞：U肋角焊縫 全熔透 焊接方案

近年來，隨著經(jīng)濟發(fā)展對交通建設(shè)的需求日益增長，材料技術(shù)、焊接技術(shù)、設(shè)計技術(shù)以及架設(shè)施工技術(shù)等也在不斷進步，大跨徑鋼橋以其新型、大跨、輕質(zhì)和美觀等優(yōu)勢，得到了突飛猛進地發(fā)展。鋼箱梁斜拉橋是一種新型結(jié)構(gòu)形式的橋梁，可以實現(xiàn)大跨徑、特大跨徑的橋梁要求，而成為我國公路橋梁發(fā)展的主要方向之一。

鋼橋面板是由較薄的面板、縱向肋和橫向肋組成，三者互為垂直，焊接成一體而共同工作，由于在相互垂直方向上的剛度各不相同，在受力行為上呈現(xiàn)各向異性，故稱為正交異性板橋面板。鋼正交異性板在均布荷載作用下有很大的極限承載力，然而在集中荷載作用下會產(chǎn)生局部“鍋底狀”變形，而且，任一部件的豎向撓曲變形都將引起與之相鄰部件的面外撓曲變形，在焊縫約束處產(chǎn)生次應(yīng)力。

1 U肋角焊縫疲勞裂紋分析

鋼正交異性橋面板的構(gòu)造復(fù)雜、焊縫數(shù)量多、施焊難度大、工廠制造和現(xiàn)場的組裝精度和焊接質(zhì)量要求較高，特別是U肋角焊縫的熔深性、咬邊和其他焊接缺陷，都將成為潛在的疲勞裂縫源。U肋與頂、底板之間的焊縫，由于反復(fù)受到汽車輪壓載荷的作用，行車道部位的U肋角焊縫很容易疲勞開裂。

U肋是大型板式鋼結(jié)構(gòu)尤其是鋼橋梁中的重要受力構(gòu)件，U肋由于其固有的封閉、狹窄細長的結(jié)構(gòu)特性，早期加工時大多采用貼角焊，焊縫只要達到規(guī)定的焊腳尺寸就算合格，后來要求焊接時的熔透深度達到U肋厚度的75%或80%。但是角焊縫內(nèi)根部由于位于U肋狹小空間內(nèi)不能施焊，導(dǎo)致焊縫根部產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中，所以從貼角焊優(yōu)化到部分熔透焊縫，并未從根本上避免U肋角焊縫處的疲勞裂紋問題。其裂紋擴展形態(tài)基本類似，主要有以下2種形態(tài)（如圖1所示）：（1）裂紋起源于焊根，大體上沿著橋面板向橋面板上表面方向或者沿著焊喉方向擴展；（2）裂紋起源于焊趾，大體上沿著橋面板向橋面板上表面方向或者沿著焊縫與U肋結(jié)合處或U肋厚度方向擴展。

針對U肋板單元焊接時存在角焊縫根部不能熔透、易產(chǎn)生疲勞裂紋的問題，筆者所在公司首次提出U肋角焊縫全熔透焊接研究。筆者所在公司雖然具有豐富的橋梁制造經(jīng)驗，但是U肋角焊縫的熔透深度一般只要求達到75%～80%即可，在U肋全熔透焊接研究也是出于探索階段。除此之外，國內(nèi)外其他橋梁制造企業(yè)在U肋角焊縫全熔透焊接上也望而卻步，沒有切實有效的焊接方案可以實現(xiàn)U肋角焊縫的全熔透焊接，對此目前并沒有可借鑒的成功焊接研究經(jīng)驗。

2 U肋角焊縫全熔透焊接工藝方案

針對U肋的結(jié)構(gòu)和焊接特點，筆者所在公司經(jīng)過廣泛地市場調(diào)研和深入地分析研究，認(rèn)為目前可從雙面焊接和單面焊雙面成型焊接兩方面進行U肋全熔透焊接研究。對于雙面焊接來說，焊接的關(guān)鍵點在于需要設(shè)計一款特殊的焊接設(shè)備，能夠進入U肋內(nèi)部完成焊接工作，而外部焊接相對簡單，目前的焊接工藝完全可以獨立完成。對此，筆者所在公司重點調(diào)研了YS-1DT6箱管焊機和微型的內(nèi)部焊接小車。對于單面焊雙面成型焊接來說，焊接的難點在于，目前的焊接設(shè)備需要在U肋背部加裝襯墊的前提下才能實現(xiàn)全熔透焊接，而加裝襯墊對于U肋的加工和裝配精度要求極高，同時大大降低了生產(chǎn)效率，提高了生產(chǎn)成本和橋梁自重，對于目前的橋梁生產(chǎn)制造來說并不可取。對此，筆者所在公司率先提出采用聚弧脈沖深熔焊焊機來實現(xiàn)U肋全熔透焊接。下文將對3種焊接方案進行一一詳述。

2.1 YS-1DT6箱管焊機

YS-1DT6箱管焊機采用埋弧焊接技術(shù)，通過3根并排排列的金屬管伸入構(gòu)件內(nèi)部將焊絲和焊劑輸送到焊接位置，其中兩外側(cè)的金屬管尾端各配備一臺送絲設(shè)備，見圖2，將焊絲沿金屬管內(nèi)部推送到金屬管前端并穿過焊槍到達焊接位置，見圖3；中間的金屬管輸送埋弧焊劑，金屬管前端配置分流盒，將焊劑分流成2股，分別輸送到兩側(cè)焊接位置。整個焊接過程焊件保持不變，由傳動機構(gòu)推動焊接導(dǎo)管和焊槍完成。

該焊機屬于外單位生產(chǎn)作業(yè)設(shè)備，由于種種原因，筆者所在公司未對該設(shè)備進行相關(guān)的探索性焊接試驗，僅對其在U肋全熔透焊接應(yīng)用的可能性進行了理論分析。

焊接設(shè)備能否進入U肋內(nèi)部進行焊接是雙面焊能夠成功的關(guān)鍵。YS-1DT6箱管焊機對內(nèi)部空間的限制較小，要求焊接件高度不小于50 mm，寬度不小于100 mm；而對于焊接長度，箱管焊機采用推拉絲技術(shù)可以實現(xiàn)10 m以上直道焊縫，并且可以實現(xiàn)2條焊縫同時焊接，焊接效率較高。但是YS-1DT6箱管焊機一次性投資大，并且需要特定焊接工位，且焊后焊機回收和清渣工作任務(wù)量較大。

2.2 內(nèi)部微型焊接小車

微型焊接小車與普通的氣體保護焊配套焊接小車功能類似，但體積較小、重量輕，能夠進入到U肋內(nèi)部進行焊接作業(yè)。該焊接小車單機作業(yè)，每個小車攜帶一把氣體保護焊焊槍（見圖4），焊絲通過推拉絲技術(shù)輸送到焊接位置，最大焊接距離可達到16 m左右（見圖5），并且焊接小車攜帶焊接監(jiān)視系統(tǒng)，可實時監(jiān)控焊接質(zhì)量。但是一次只能焊接一道焊縫，焊接電纜太長、工人操作煩瑣、小車回程太慢、焊接效率較低。

2.3 聚弧脈沖深熔焊焊機

雙面焊焊接工藝能夠?qū)崿F(xiàn)U肋的內(nèi)部打底焊接，可以對全熔透焊接起到背部堵漏的效果，防止外部焊接時背部燒穿。但是箱管焊機和焊接小車各有優(yōu)缺點，整體上來說將大大增加焊接工作量和勞動成本，并非是一種理想的焊接解決方案。對此，筆者所在公司通過市場調(diào)研考慮采用聚弧脈沖深熔焊機對U肋進行單面焊雙面成型的全熔透焊接。

雷姆公司聚弧脈沖深熔焊機是一款集合普通電弧、脈沖電弧、雙脈沖電弧、焊條手工焊、獨具特性的起弧和收弧等功能于一身的焊接設(shè)備。主要具有以下特點：

（1）采用高度聚焦電弧進行焊接時，可顯著改善電弧滲透、增加坡口根部的穿透力，使焊縫根部成型得到保證；同時減少了熱輸入量、增加了熔化和工作效率，以最經(jīng)濟的方式獲得最理想的焊縫。

（2）焊接速度較其他同類焊機提高了30%，設(shè)定好全部焊接專家程序只需幾秒，操作極為方便。采用最佳焊接過程使熔化效率和焊接速度顯著提高，以超速反應(yīng)來精密調(diào)節(jié)電弧長度使電弧始終穩(wěn)定。焊接時電弧精準(zhǔn)地保持在坡口根部，為焊接鋼構(gòu)件提供絕對保證。

（3）該焊機集5大焊接功能于一身，有170個經(jīng)優(yōu)化的焊接專家程序，無論焊接碳鋼及低合金鋼，或者不銹鋼、鋁、銅釬焊以及焊接錫合金等都能獲得最佳焊接質(zhì)量。

（4）U肋屬于較長的直道焊縫且內(nèi)部焊接很難穩(wěn)定實現(xiàn)，采用MEGA.FOCUS500聚弧脈沖深熔焊焊機進行U肋角焊縫的第一層打底焊接時，可以使得U肋角焊縫實現(xiàn)100%熔透、正反面焊接成型，成功實現(xiàn)8 mmU肋角焊縫的全熔透焊接（見圖6）。

2.4 3種焊接工藝方案對比分析

筆者所在公司重點調(diào)研了以上3種焊接工藝方案，對比分析各方案之間的優(yōu)缺點，最終認(rèn)為聚弧脈沖深熔焊焊機可作為U肋全熔透焊接的理想焊接設(shè)備，各方案的性能特點如表1所示。

采用箱管焊機和焊接小車進行內(nèi)部焊接的目的，主要是解決正面進行全熔透焊接時背部易燒穿造成液體流淌的問題，在正面焊接前先采用可伸入U肋內(nèi)部的焊接設(shè)備進行內(nèi)部封底焊接，以起到類似襯墊的堵漏作用，然后再采用常規(guī)焊接方法進行外部焊接。雖然通過箱管焊機與內(nèi)部焊接小車采用雙面焊接工藝可以實現(xiàn)U肋的全熔透焊接，但是兩方案均無法達到最理想的焊接效果。

（1）從工件空間要求、焊接質(zhì)量、焊接效率以及設(shè)備穩(wěn)定性等角度出發(fā)，可考慮采用箱管焊機。箱管焊機對工件空間要求低、設(shè)備簡單易操作、不易出現(xiàn)故障、焊接質(zhì)量可靠，但是箱管焊機的焊接長度拓展空間有限、投資成本大、需特定焊接工位、靈活性較差，僅可用于焊接U肋等內(nèi)部狹小空間的直道焊縫，一次性投資大ɑㄓ糜τ梅段Ы險？（2）從靈活性、投資成本、焊接長度等角度出發(fā)，可考慮采用焊接小車。焊接小車小巧靈便、不受場地限制、焊接長度拓展空間較大、投資成本低；但是設(shè)備復(fù)雜、操作煩瑣、故障率高、焊接效率低、焊接質(zhì)量不穩(wěn)定。

（3）為了保護U肋內(nèi)部油漆防止服役工程中內(nèi)部生銹，在距U肋端部400 mm處安裝隔板，隔板在U肋焊接到頂/底板前已組裝完成，所以將影響到內(nèi)部設(shè)備無法正常焊接。若要實現(xiàn)內(nèi)部焊接，需在U肋焊接到頂/底板后再安裝U肋內(nèi)隔板（見圖7），并且內(nèi)隔板需開設(shè)過焊孔。所以采用雙面工藝將會與目前橋梁U肋制造方案相沖突，對此雙面焊接工藝對U肋全熔透焊接研究來說并非是最理想的工藝方案。

（4）針對以上兩方案存在的缺點，項目組重點調(diào)研了2家焊接設(shè)備，雷姆公司的聚弧脈沖深熔焊焊機，由于該焊機具有的聚弧脈沖功能能夠使焊接電弧具有高度的聚焦和強勁的穿透力，焊接過程中焊接電弧始終穩(wěn)定在坡口根部，使得根部母材完全熔化并在內(nèi)部形成焊腳。該焊接工藝避免了內(nèi)部焊接煩瑣復(fù)雜、焊接穩(wěn)定性差的缺點，僅采用外側(cè)焊接就可實現(xiàn)8 mmU肋的單面焊雙面成型，焊接過程簡單方便、設(shè)備穩(wěn)定可靠、生產(chǎn)效率高效，若實現(xiàn)自動化焊接，對鋼橋梁制造水平將是極大提升，同時節(jié)約一定生產(chǎn)成本。

綜合考慮3種焊接設(shè)備的優(yōu)缺點之后，項目組決定采用雷姆公司的MEGA.FOCUS500聚弧脈沖深熔焊焊機，作為該項目的理想焊接設(shè)備，并針對8 mmU肋角焊縫全熔透焊接進行了多組焊接工藝試驗。主要研究了焊接材料、坡口角度、焊接工藝參數(shù)等重要焊接參數(shù)對焊縫成型質(zhì)量的影響。

3 結(jié)語

U肋是大型板式鋼結(jié)構(gòu)尤其是鋼橋梁中的重要受力構(gòu)件，其與橋面板之間的縱向焊縫的抗疲勞性能關(guān)系到整個橋梁的使用壽命。筆者所在公司針對U肋與頂/底板角焊縫易出現(xiàn)疲勞裂紋這一工程情況，經(jīng)過深入分析研究、廣泛考察調(diào)研，分析認(rèn)為可通過雙面焊焊接工藝和單面焊雙面成型焊接工藝兩方法解決，并全面調(diào)研了YS-1DT6箱管焊機、微型焊接小車和聚弧脈沖深熔焊焊機3種焊接設(shè)備及方案，分析研究認(rèn)為深熔焊可作為解決這一工程現(xiàn)象的理想方案。

筆者所在公司通過不斷優(yōu)化焊接工藝試驗方案，最終成功實現(xiàn)8 mmU肋角焊縫的全熔透焊接，將U肋角焊縫從部分熔透轉(zhuǎn)化為全熔透，提高了焊縫質(zhì)量、改善了U肋的受力特性、提升了橋梁的使用壽命。但是該焊接工藝仍然存在諸多問題，尤其是焊接自動化方面還不能達到先進制造企業(yè)水平，高效的自動化焊接應(yīng)用還是空白，仍然需要研究人員不斷探索。

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