U肋板單元焊接質(zhì)量控制
——破壞性檢測

貝玉成，徐向軍，王建國，何濤

中鐵山橋集團有限公司 河北秦皇島 066200

1 序言

常泰長江大橋主航道橋為斜拉橋，主跨跨度1176m，天星洲和錄安洲專用航道橋為鋼桁拱橋，主跨跨度388m，錄安洲非通航孔橋為3×124m連續(xù)鋼桁梁，其中主航道橋刷新世界紀(jì)錄，為世界最大跨度公鐵兩用斜拉橋。大橋主梁采用板桁組合結(jié)構(gòu)，桁寬35m，桁高15.1m，效果圖如圖1所示。

圖1 常泰長江大橋效果圖

主梁橋面寬度為33.1m，雙層橋面，主梁橫斷面如圖2所示。行車道范圍內(nèi)橋面板縱向加勁肋采用U形肋，其坡口角焊縫要求單面焊，焊縫熔透深度≥0.8倍U肋板厚，且不得焊漏。

圖2 常泰長江大橋主橋橫斷面

正交異性橋面板結(jié)構(gòu)由面板、縱肋和橫肋組成，縱肋和橫肋互相垂直并焊接在面板上，其結(jié)構(gòu)板件眾多，受力復(fù)雜，長期承受反復(fù)的交通荷載作用[1]，其中U肋與橋面板間角焊縫直接承受輪壓載荷，焊接質(zhì)量至關(guān)重要，將直接影響大橋的使用壽命。

2 焊接工藝

依據(jù)焊接工藝評定試驗編制而成的焊接工藝是決定焊接質(zhì)量的關(guān)鍵，焊接工藝穩(wěn)定性是保證焊接質(zhì)量的前提。焊接設(shè)備、坡口加工精度是焊接工藝穩(wěn)定性的基礎(chǔ)以及焊接質(zhì)量的保障[2]。

2.1 焊接設(shè)備

U肋板單元采用板單元自動組裝定位焊接系統(tǒng)，通過該系統(tǒng)實現(xiàn)了打磨、除塵、組裝和機器人定位焊的自動化，如圖3所示。板單元上的U肋角焊縫采用板單元焊接機器人在反變形胎架上焊接[3]，如圖4所示。

圖3 板單元自動組裝定位焊接系統(tǒng)

圖4 板單元反變形焊接機器人系統(tǒng)

2.2 焊接順序

U肋板單元焊接順序如下。

1）將組裝好的板單元夾固在反變形胎上，平位對稱焊接U肋兩側(cè)打底焊道。

2）將胎型傾斜約38°角，船位焊接蓋面焊道。

3）按照編好的程序?qū)ΨQ同向施焊。

2.3 焊接參數(shù)

（1）U肋定位焊 采用富氬氣體保護(hù)焊，機器人焊接，焊接參數(shù)見表1。

表1 U肋定位焊焊接參數(shù)

（2）U肋坡口角焊縫 采用金屬粉型藥芯焊絲CO2氣體保護(hù)焊，機器人焊接，焊接參數(shù)見表2。

表2 U肋角焊縫焊接參數(shù)

3 班前試板

為檢測橋面板單元U肋角焊縫焊接工藝性的穩(wěn)定性，在每天焊接作業(yè)前首先焊接U肋班前試板。U肋班前試板焊接后，立即解剖制取宏觀斷面，待檢測熔透深度合格后，方可進(jìn)行板單元U肋角焊縫的焊接。

3.1 班前試板的焊接

將班前試板連接到板單元中最先焊接的U肋前端。每一個班次必須在開始板單元焊接前，按照批準(zhǔn)的U肋角焊縫焊接工藝焊接一個班前試板，班前試板焊接與產(chǎn)品U肋角焊縫的焊接方向保持一致。

3.2 檢測取樣位置

班前試板焊接后立即取斷面對班前試板進(jìn)行檢測，每個試件取2個宏觀斷面（從U肋的兩條焊縫各取一個），班前試板及宏觀斷面取樣如圖5所示。

圖5 班前試板及宏觀斷面取樣示意

3.3 班前試板檢測

（1）外觀檢測 班前試板所有焊縫在全長范圍內(nèi)進(jìn)行外觀檢查，符合《常泰長江大橋（跨江段）主體工程鋼桁梁、鋼塔制造項目制造規(guī)則》的規(guī)定。

（2）宏觀斷面熔深檢測 判定標(biāo)準(zhǔn)見表3。

表3 宏觀斷面熔深檢測判定標(biāo)準(zhǔn)

（3）宏觀斷面熔深檢測結(jié)果統(tǒng)計 目前所有班前試板的宏觀斷面檢測結(jié)果全部滿足熔透深度≥0.8t要求，部分班前試板宏觀斷面檢測結(jié)果見表4，熔透深度曲線如圖6所示，典型宏觀斷面酸蝕照片如圖7所示。宏觀斷面檢測熔透深度合格后才能進(jìn)行正式板單元焊接。

圖6 班前試板熔透深度曲線

圖7 班前試板宏觀斷面

表4 部分班前試板宏觀斷面熔深檢測結(jié)果

4 板單元破壞性試驗

為了更好地檢測大生產(chǎn)過程中U肋角焊縫的焊接質(zhì)量，要求前10塊完成焊接并經(jīng)外觀和磁粉檢測合格后的板單元，由監(jiān)理隨機抽取1塊進(jìn)行破壞性試驗，制取U肋角焊縫宏觀斷面檢測角焊縫熔透深度，從而檢測橋面板單元焊接工藝性的穩(wěn)定性。

4.1 破壞性板單元

監(jiān)理隨機抽取的破壞性板單元編號為E3BD2-1，長寬尺寸為10994mm×2994mm，板單元上共有5根U肋，10條角焊縫。從每條U肋角焊縫上間隔1m取樣一個宏觀斷面，每條角焊縫取10個宏觀斷面，共制取宏觀斷面100個。板單元規(guī)格尺寸、U肋數(shù)量、焊縫長度、取樣數(shù)量見表5。

表5 破壞性板單元及取樣數(shù)量

4.2 宏觀斷面熔透深度判定要求

1）從破壞性板單元上取到的宏觀斷面總數(shù)作為分母，各等級熔深斷面數(shù)作為分子，U肋板厚為t，依據(jù)檢測結(jié)果進(jìn)行熔透深度和比例判定。熔透深度≥0.8t的宏觀斷面數(shù)量比例≥75%，或熔透深度≥0.75t的宏觀斷面數(shù)量比例≥90%，且無熔透深度＜0.7t（或焊縫喉厚＜1.2t）時，判為合格。

2）當(dāng)未滿足上述要求時，可在熔透深度＜0.7t（或焊縫喉厚＜1.2t）的試件位置，前后距離50mm位置處各增加1個宏觀斷面試件，若都合格，則判為合格。否則，另外選取1片板單元重新檢測，若合格則該批次合格，否則該批次余下8塊板單元判為不合格。

3）若首批板單元檢測不合格，需停產(chǎn)整頓，調(diào)整工藝后，重新制作試驗板單元進(jìn)行試驗，檢測合格后，方可批量生產(chǎn)。

4.3 破壞性板單元宏觀斷面檢測結(jié)果

對從破壞性板單元E3BD2-1上制取的100個試件進(jìn)行宏觀斷面熔透深度檢測，有97個達(dá)到≥0.8t要求，比例為97%，高于本項目規(guī)定的宏觀斷面熔透深度≥0.8t比例≥75%的要求，熔透深度達(dá)到≥0.75t比例為100%，高于本項目規(guī)定的宏觀斷面熔透深度達(dá)到0.75t比例≥90%的要求，無焊縫喉厚＜1.2t的情況。破壞性試驗典型宏觀斷面熔透深度比例檢測結(jié)果見表6，破壞性試驗熔透深度曲線如圖8所示，典型宏觀斷面照片如圖9所示，板單元破壞性試驗結(jié)論合格，后續(xù)板單元可批量生產(chǎn)。

圖8 破壞性試驗熔透深度曲線

圖9 破壞性試驗典型宏觀斷面照片

表6 破壞性試驗宏觀斷面熔透深度比例 （%）

4.4 影響因素分析

熔透深度＜0.8t的試件有3 個，編號為A 1-U2a-9、A1-U2b-7和A1-U5a-9，宏觀斷面照片如圖10所示。

由圖10可看出，3個試件未熔透深度尺寸分別為1.71mm、1.99mm和1.85mm，熔透深度分別為0.799t、0.761t和0.788t，統(tǒng)計結(jié)果見表7。

表7 U肋板厚及熔透深度統(tǒng)計

圖10 熔透深度差的宏觀斷面

3個試件角焊縫的坡口根部熔合良好，焊縫飽滿，說明焊槍角度、電弧跟蹤狀態(tài)、焊接參數(shù)等符合焊接工藝要求。通過宏觀斷面實物測量U肋板厚及未熔透深度，并與其他宏觀斷面對比分析可得，鈍邊尺寸偏大是未能達(dá)到熔透深度≥0.8t的主要原因，后期通過進(jìn)一步控制U肋鈍邊加工精度，可有效提高U肋角焊縫焊接質(zhì)量，使U肋角焊縫熔透深度合格率達(dá)到100%。

5 結(jié)束語

通過合理的焊接工藝，保證板單元U肋角焊縫熔透深度；根據(jù)班前試板、板單元破壞性試驗，驗證U肋角焊縫焊接工藝性的穩(wěn)定性，確保常泰長江大橋U肋板單元的焊接質(zhì)量。