正交異性鋼橋面板制造技術研究

莊慶慶，馬靜肖

（中鐵山橋集團有限公司，河北 秦皇島 066200）

1 引言

正交異性鋼橋面板具有自重較輕、承載能力強、應用廣等特點，因此在斜拉橋、懸索橋、大跨徑橋梁、景觀橋等橋各種結構形式和不同跨徑橋梁中得到了廣泛應用。我國在成昆鐵路中首次使用正交異性板至今，已有鳳凰黃河大橋、重慶朝天門大橋、港珠澳大橋很多橋梁采用此結構。在我國大力推進鋼結構橋梁建設的政策下，其應用必將更為廣泛。但是隨著中國經濟的迅速發展，交通荷載量迅速增加，正交異性板的疲勞開裂問題也呈早發性、多發性的特征，嚴重地影響了橋梁的使用壽命。

2 正交異性鋼橋面板主要疲勞問題

正交異性鋼橋面板結構復雜，橫向剛度弱，焊縫復雜，橋面板在局部輪載作用下，與U 形肋之間發生較大的面外變形，而加工制造精度誤差和焊接質量缺陷又進一步加劇其疲勞性。經研究發現：頂板與縱向U 形肋之間的焊縫是正交異性板疲勞開裂的主要部位之一。頂板與縱向U 形肋之間的焊縫裂紋又分為焊趾處裂紋（見圖1a）及焊跟處裂紋（見圖1b）。

圖1 正交異性板焊縫裂紋

本文從原材采購、單元件加工到組裝焊接全過程中影響正交異性板質量的關鍵點進行控制，以減少此類問題的發生。

3 原材料的選擇

鋼板板型會直接影響到桿件加工制造的精度，內應力大的鋼板在切割后會發生旁彎等變形，機加工后內應力重新分布，又會產生新的變形，導致板邊直線度較差，進而影響焊縫的焊接質量。采購時選用板型好，平面度好，內應力小的板材，能有效減少U 形肋與面板的疲勞裂縫。另外，碳、硫等有害物質含量滿足標準的情況下選擇碳、硫含量更低的廠家。有些廠家為了控制生產成本，碳、硅等有害元素含量雖然滿足標準，但在標準的上限，雖然板材力學性能滿足標準要求，但可焊性低，焊接后熱影響區硬度大，容易開裂，直接影響桿件的質量[2]。

4 半品件控制

4.1 趕平

GB/T 709—2019《熱軋鋼板和鋼帶的尺寸、外形、重量及允許偏差》中對于8～15 mm 厚鋼類L (最小屈服強度不大于460 MPa)的普通不平度精度要求≤7 mm[2]，而Q/CR 9211—2015《鐵路鋼橋制造規范》中要求零件的平面不平度≤1 mm[3]。為提高鋼板的平面度，鋼板的趕平是非常必要也是非常重要的。另外，鋼板的反復趕平，使鋼板軋制時產生的內應力分布均勻或消除，為下料、加工和焊接變形的控制提供良好的條件。

4.2 U形肋銑邊

U 形肋板邊直線度直接影響壓型后U 形肋與面板的組裝間隙，間隙過大直接影響U 形肋焊縫質量。Q/CR 9211—2015《鐵路鋼橋制造規范》規定U 形肋組裝間隙允許偏差≤0.5 mm。為滿足這一要求，選用雙邊銑邊機，U 形肋一次裝卡定位，雙面雙邊各雙刀盤同時進行2 次銷銑加工，保證U 形肋直線度公差在2 mm 以內。

4.3 坡口成型

U 形肋坡口數控成型機床使用特別自制的鋼板夾持機構，在加工過程中能夠有效地控制鋼板的振動，降低坡口鈍邊偏差，保證公差不超過0.5 mm。另外，高速銑削功能可以有效避免坡口面的微觀裂紋。

4.4 壓彎

目前，U 形肋的成型方式有3 種，折彎、輥彎和熱軋。折彎、輥彎都屬于冷彎加工。冷彎的缺點是圓弧部位經過冷彎后有冷作硬化的趨勢，硬度增高，導致圓弧部位的抗疲勞性能有所降低。

折彎的優點是可以適用于各種規格形狀的組形肋，加工靈活，適用范圍廣，可以根據自身的加工裝備靈活調整加工參數，以滿足組裝、焊接的需求。

而輥彎和熱軋需要靠不同的模具來達到所需的外形尺寸，靈活性差，適應范圍窄。

熱軋的優點是生產線流水作業效率高，交貨周期短，尺寸精度好，沒有冷作硬化現象。熱軋另外的缺點是只能熱軋狀態交貨，通過合金化提高U 形肋的力學及焊接性能，很難進行后期熱處理，目前在高材質（Q345）領域應受一定的制約。

目前，折彎技術應用比較廣泛，技術也比較成熟，現在多數廠家U 形肋加工仍然以折彎方式為主。

5 焊接

目前，國內鋼結構橋梁對于正交異性板單元的焊接要求分為單面焊部分熔透（熔深不低于板厚的75%）和雙面焊接100%全熔透2 種形式。雙面焊接100%全熔透可以更好地提高正交異性板的抗疲勞性，減少焊接裂紋的發生，逐漸在鋼結構橋梁中推廣使用，像武穴長江大橋、深中通道、洪齊門大橋等均采用了雙面焊工藝。但目前仍有一部分項目要求單面焊部分熔透工藝，下面分別就這2 種焊接方案展開論述。

5.1 單面焊部分熔透角焊縫焊接

5.1.1 板單元自動化組裝

板單元自動化組裝機床（見圖2）的定位、壓緊裝置通過液壓系統自動控制。此系統組裝的板單元任意2 根U 形肋中心距偏差在±1 mm 內；U 形肋定位直線度偏差不超過1 mm；壓緊后U 形肋與面板間間隙不超過0.5 mm。另外，U 形肋組裝采用可更換的定形卡具，卡具之間的位置可以調整，從而適用于與不同間距、不同形狀和尺寸的U 形肋的組裝。定位焊U 肋角焊縫兩側同時焊接，電流、電壓、焊速、焊縫長度以及收弧時間等參數全部自動控制，解決了傳統手工定位焊縫質量波動問題。

圖2 板單元自動化組裝機床

5.1.2 板單元自動化焊接

板單元自動化焊接系統（見圖3）通過焊接過程中機器手的擺動，感知焊接電流和電弧電壓的變化，計算出焊絲相對于焊縫中央的偏移量并實時糾正，實現對焊縫的跟蹤。每臺機械配置6 個懸臂焊接機械手，采用接觸式跟蹤方式，焊接方法為氣體保護焊（CO2或富氬氣），藥芯焊絲或實心焊絲焊接。為保證焊腳大小，常采用單絲雙道焊縫進行焊接。焊接前根據焊接試驗確定板單元焊接變形大小，根據實驗數據在反變形胎上預制反變形。焊接采用船位焊，提高焊縫外觀質量。一側焊接完成后，翻轉胎架，使另一側也在船位狀態下焊接。

圖3 板單元自動化焊接系統

5.2 U形肋角焊縫全熔透焊接

傳統的U 形肋角焊縫一般要求單面焊部分焊透，熔深一般只能達到板厚的80%。隨著交通荷載的增加，以及U 形肋板單元疲勞問題的不斷出現，現在逐漸發展成要求雙面焊接100%全熔透。

U 形肋內側角焊縫采用U 形肋內焊專機，通過增加U 形肋內側角焊縫的焊接，消除了焊縫根部的應力集中，提高了焊接的疲勞強度。內焊焊接方式可采用實心焊絲富氬氣體保護焊或埋弧焊的焊接工藝。氣體保護焊要特別注意保護氣的供應，防止斷氣、漏氣，埋弧焊要注意防潮。使用具有深熔功能的焊接電源，提高焊縫熔透深度。

U 形肋坡口側先進行打底焊，打底焊采用半自動焊接小車，蓋面焊采用龍門機器人焊接。U 形肋坡口側焊縫焊接時在特制反變形胎上，采用船位焊接位置進行焊接[4]。焊縫通過相控陣超聲波檢測，焊縫能達到100%全熔透（見圖4）。

圖4 全熔透焊縫宏觀斷面

5.3 正交異性板單元矯正

傳統的板單元熱矯形工藝效率低，占地面積大，采用火焰加熱鋼板產生的內應力變形來抵消焊接變形，對鋼板力學性能產生不利影響，浪費了大量人力、物力，同時增加了制造周期。板單元冷矯形機（見圖5）通過液壓和機械傳動，對板單元的焊接變形部位施加壓力，行進中進行縱橫向連續矯形，產生反向塑性變形抵消焊接變形，對母材性能影響小。

圖5 板單元冷矯形機

采用程序操控，平整度自動檢測，效率提高3 倍以上，矯正后的板單元平面度≤1 mm。

6 結語

正交異性板的疲勞問題一直是鋼橋制造行業重點關注的問題。本文中從正交異性板制造全過程進行分析，通過選擇高品質板材，優化制造方案，提高單元件制造精度，加工過程全部機械化、智能化，減少人為因素的干擾，以及選擇合適的焊接方法，提高熔透焊縫質量等一系列方案，以減少疲勞裂紋的發生。