鋼橋面板U肋角焊縫全熔透焊接工藝對(duì)比研究

曹磊，范軍旗，田文成

中鐵山橋集團(tuán)有限公司 河北秦皇島 066200

1 序言

正交異性鋼橋面板結(jié)構(gòu)具有重量輕、承載能力大、經(jīng)濟(jì)性好的特點(diǎn)，應(yīng)用非常廣泛。但正交異性鋼橋面板的細(xì)節(jié)構(gòu)造和制造工藝對(duì)其疲勞耐久性影響較大，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的使用后發(fā)現(xiàn)疲勞裂紋問(wèn)題突出，影響橋梁的使用壽命和運(yùn)行安全。其中，U肋與頂板連接焊縫的疲勞開(kāi)裂以焊腳和焊根為裂紋源，分別向頂板、U肋腹板和焊縫內(nèi)部擴(kuò)展。U肋與頂板連接焊縫采用雙面焊可大大降低焊根部位出現(xiàn)疲勞開(kāi)裂的可能性[1]，通過(guò)雙面焊實(shí)現(xiàn)U肋焊縫全熔透焊接，可以減小U肋與面板焊接接頭局部的應(yīng)力集中現(xiàn)象，提高其疲勞壽命，這也是解決疲勞裂紋問(wèn)題的一個(gè)重要途徑。

在試驗(yàn)室條件下，采用不同的U肋坡口形式，選用CO2氣體保護(hù)焊、富氬氣體保護(hù)焊、埋弧焊等不同的焊接方法進(jìn)行工藝試驗(yàn)，均可實(shí)現(xiàn)U肋角焊縫全熔透焊接。為了檢驗(yàn)多種全熔透焊接工藝方案在車(chē)間生產(chǎn)條件下的實(shí)際效果，專門(mén)制作試驗(yàn)板單元，使用專用生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行進(jìn)一步的驗(yàn)證。

2 試驗(yàn)方案確定

初步選定在試驗(yàn)室條件下能夠?qū)崿F(xiàn)的U肋角焊縫全熔透的4種工藝方案，模擬車(chē)間生產(chǎn)條件，分別制作板單元進(jìn)行試驗(yàn)，U肋板厚為8mm。

（1）方案1 U肋外側(cè)開(kāi)坡口，坡口尺寸和接頭形式如圖1所示。內(nèi)側(cè)采用富氬氣體保護(hù)焊，外側(cè)采用埋弧焊工藝，該方案的焊接參數(shù)見(jiàn)表1。

圖1 方案1的U肋坡口尺寸和接頭形式

表1 方案1的焊接參數(shù)

（2）方案2 U肋不開(kāi)坡口，接頭形式如圖2所示。內(nèi)側(cè)采用細(xì)絲埋弧焊，外側(cè)采用粗絲埋弧焊工藝，該方案的焊接參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 方案2的焊接參數(shù)

圖2 方案2的接頭形式

（3）方案3 U肋內(nèi)側(cè)開(kāi)坡口，坡口尺寸和接頭形式如圖3所示。內(nèi)側(cè)采用氣體保護(hù)焊，外側(cè)采用粗絲埋弧焊工藝，該方案的焊接參數(shù)見(jiàn)表3。

圖3 方案3的U肋坡口尺寸和接頭形式

表3 方案3的焊接參數(shù)

（4）方案4 U肋外側(cè)開(kāi)坡口，坡口尺寸和接頭形式如圖4所示。內(nèi)側(cè)采用富氬氣體保護(hù)焊，外側(cè)采用CO2氣體保護(hù)焊工藝U肋的坡口尺寸和接頭形式，如圖4所示。該方案的焊接參數(shù)見(jiàn)表4。

圖4 方案4的坡口尺寸和接頭形式

表4 方案4的焊接參數(shù)

3 試件準(zhǔn)備

試驗(yàn)板單元材質(zhì)為Q 3 4 5 q D，長(zhǎng)度為6 m、10m，寬度為3.6m的U肋共6根。U肋坡口采用專用機(jī)床加工，試件組裝前測(cè)量并記錄鈍邊尺寸，誤差在0.5mm以內(nèi)；采用U肋組裝定位焊專用機(jī)床組裝U肋，測(cè)量并記錄組裝間隙，同時(shí)控制U肋與面板的組裝間隙≤0.5mm[2]。

4 試件焊接

試驗(yàn)板單元的焊接順序采取先內(nèi)焊、后外焊的方式，有利于控制焊接質(zhì)量并保證生產(chǎn)效率[3]。

（1）U肋內(nèi)側(cè)角焊縫氣體保護(hù)焊和細(xì)絲埋弧焊 全部采用U肋內(nèi)焊專用機(jī)床焊接，12條焊縫同時(shí)進(jìn)行平角位施焊，如圖5所示。

圖5 U肋內(nèi)焊專用機(jī)床

氣體保護(hù)焊所用氣體為80%Ar+20%CO2，焊絲選用ER50-6、直徑1.2mm，焊接電源具有深透弧功能，可有效增加焊縫熔透深度。

細(xì)絲埋弧焊選用S、P含量低的CJQ-3焊絲，直徑1.6mm，配以脫渣性好的SJ501U焊劑，可減小在U肋內(nèi)部狹小空間清理熔渣的難度。

（2）U肋外側(cè)埋弧焊 采用板單元船位埋弧焊專機(jī)，如圖6所示。在反變形翻轉(zhuǎn)胎架上施焊，6條焊縫同時(shí)焊接，焊接材料為H10Mn2（φ3.2mm）焊絲+SJ101q焊劑。焊槍前端安裝有接觸傳感式機(jī)械跟蹤裝置，可實(shí)時(shí)跟蹤焊縫位置。

圖6 板單元船位埋弧焊專機(jī)

（3）U肋外側(cè)氣體保護(hù)焊 采用U肋板單元機(jī)器人焊接系統(tǒng)，如圖7所示。在反變形翻轉(zhuǎn)胎架上預(yù)制反變形后焊接，最多4條焊縫同時(shí)施焊。機(jī)器人具有電弧跟蹤功能，可以隨時(shí)根據(jù)焊接電流、電弧電壓的變化判斷焊接位置，實(shí)時(shí)糾偏。CO2氣體保護(hù)焊焊接材料選用E500T-1、直徑1.4mm。

圖7 U肋板單元機(jī)器人焊接系統(tǒng)

每種方案準(zhǔn)備3～5塊試件，以前期試驗(yàn)室條件下確定的焊接參數(shù)為基礎(chǔ)，試驗(yàn)時(shí)根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，逐步排除設(shè)備故障、人員操作等原因，確保工藝穩(wěn)定。

5 試件檢測(cè)

焊后應(yīng)用相控陣超聲波檢測(cè)技術(shù)[4]，統(tǒng)計(jì)合格率。選擇不同部位制取試樣進(jìn)行斷面酸蝕試驗(yàn)，根據(jù)無(wú)損檢測(cè)結(jié)果和斷面酸蝕宏觀形貌分析缺陷原因，工藝穩(wěn)定后的板單元典型斷面酸蝕宏觀形貌如圖8～圖11所示，試件相控陣超聲波檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 試件相控陣超聲波檢測(cè)結(jié)果

圖8 方案1斷面酸蝕宏觀形貌

圖9 方案2斷面酸蝕宏觀形貌

圖10 方案3斷面酸蝕宏觀形貌

圖11 方案4斷面酸蝕宏觀形貌

6 試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

（1）檢測(cè)合格率 在車(chē)間生產(chǎn)條件下進(jìn)行試驗(yàn)，方案1焊縫檢測(cè)合格率達(dá)到了97.11%，12條焊縫中有10條存在未熔透的部位，個(gè)別焊縫熔透率較低（81.67%）。

方案2焊縫檢測(cè)合格率達(dá)到了98.51%，12條焊縫中7條焊縫合格率100%，熔透效果較好；方案3焊縫檢測(cè)合格率達(dá)到了99.72%，12條焊縫有10條檢測(cè)合格率為100%；方案4焊縫檢測(cè)合格率為79.15%，12條焊縫中有10條存在缺陷，合格率較低。

方案1、方案2和方案3的U肋外側(cè)焊縫焊接均采用埋弧焊工藝，內(nèi)側(cè)焊縫的坡口形式和焊接方法分別為不開(kāi)坡口氣體保護(hù)焊、不開(kāi)坡口細(xì)絲埋弧焊和開(kāi)坡口氣體保護(hù)焊，檢測(cè)合格率依次提高。方案4的U肋外側(cè)開(kāi)坡口、內(nèi)側(cè)與外側(cè)焊縫焊接均采用氣體保護(hù)焊，檢測(cè)合格率與其他方案相比，合格率相對(duì)較低。

（2）熔深 通過(guò)檢查斷面酸蝕宏觀形貌發(fā)現(xiàn)，方案1和方案4的U肋內(nèi)側(cè)不開(kāi)坡口，采用氣體保護(hù)焊時(shí)熔池形狀和位置偏差較大，焊縫有效熔深不穩(wěn)定，最大超過(guò)3mm，而最小僅為0；方案2的U肋內(nèi)側(cè)不開(kāi)坡口，采用細(xì)絲埋弧焊時(shí)，同樣存在熔池形狀和位置偏差，但相對(duì)來(lái)說(shuō)熔深較大，穩(wěn)定性較好，有效熔深均在2mm以上；方案3的U肋內(nèi)側(cè)開(kāi)坡口焊接，對(duì)增加熔透深度效果明顯，同樣采用氣體保護(hù)焊，U肋內(nèi)側(cè)熔深比不開(kāi)坡口的細(xì)絲埋弧焊更高，均在3mm以上。

方案2和方案3的U肋外側(cè)不開(kāi)坡口，與U肋外側(cè)開(kāi)坡口的方案1相比，熔深沒(méi)有減小，說(shuō)明U肋外側(cè)是否開(kāi)坡口對(duì)熔深影響不大。埋弧焊的熱輸入大，電弧穿透能力強(qiáng)，在U肋內(nèi)側(cè)有焊腳確保不焊漏的情況下，外側(cè)開(kāi)坡口焊接采用較小的焊接電流，外側(cè)不開(kāi)坡口時(shí)增大焊接電流，可以達(dá)到同樣的熔深。

7 影響因素分析

方案4的合格率較低，與試驗(yàn)室條件下的試驗(yàn)結(jié)果差距較大，通過(guò)無(wú)損檢測(cè)發(fā)現(xiàn)定位焊部位未焊透缺陷集中，分析原因?yàn)椋簹怏w保護(hù)焊焊接工藝的自身局限性，熱輸入較小，焊縫熔深淺，熔寬較窄，不能將定位焊焊縫重熔。同時(shí)，全熔透焊接對(duì)U肋坡口的加工誤差、焊絲對(duì)正要求、定位焊焊縫打磨狀態(tài)、焊接參數(shù)等要求過(guò)于嚴(yán)苛，在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，U肋坡口加工尺寸、組裝間隙，以及焊槍對(duì)焊縫的跟蹤精度等稍有誤差，均會(huì)導(dǎo)致焊縫無(wú)法全熔透。

結(jié)合檢測(cè)結(jié)果和斷面酸蝕宏觀形貌，分析焊接缺陷的產(chǎn)生還有以下原因。

1）多把焊槍同時(shí)焊接時(shí)電弧磁偏吹現(xiàn)象嚴(yán)重，熔池形狀和位置偏差較大，焊縫有效熔深相差較大，易造成未焊透。

2）U肋內(nèi)側(cè)角焊縫采用機(jī)械輪頂緊方式跟蹤，受工件表面形狀、飛濺、雜質(zhì)的影響，焊槍角度和位置調(diào)整不到位，容易出現(xiàn)跟蹤誤差、焊縫焊偏，造成未熔透缺陷。

3）U肋內(nèi)側(cè)采用富氬氣體保護(hù)，與CO2氣體保護(hù)焊相比，對(duì)水分更加敏感，當(dāng)焊縫部位除濕不到位時(shí)，容易出現(xiàn)氣孔缺陷。

4）氣體保護(hù)焊屬于明弧焊接，焊接部位溫度過(guò)高，壓縮空氣管路受熱破損，以及壓縮氣體泄漏干擾保護(hù)氣體時(shí)，易出現(xiàn)氣孔缺陷。

5）定位焊縫打磨時(shí)形成的粉末狀鐵屑和車(chē)間底漆粉塵等雜質(zhì)進(jìn)入焊縫根部，在內(nèi)側(cè)焊縫易形成氣孔缺陷[5]。

8 項(xiàng)目應(yīng)用

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果得出：采用埋弧焊焊接U肋外側(cè)焊縫的方案1、方案2和方案3，焊縫質(zhì)量相對(duì)穩(wěn)定，合格率高。采用氣體保護(hù)焊焊接U肋外側(cè)焊縫的方案4，可以達(dá)到全熔透效果，但焊縫合格率偏低，在應(yīng)用于U肋全熔透焊接車(chē)間生產(chǎn)時(shí)，需要采取進(jìn)一步的技術(shù)措施并加強(qiáng)過(guò)程管控。將方案1、方案2和方案3分別應(yīng)用于武穴長(zhǎng)江公路大橋、深中通道、吉黑高速等項(xiàng)目，以板單元為單位統(tǒng)計(jì)焊縫一次檢測(cè)合格率，均在96%以上，滿足項(xiàng)目標(biāo)準(zhǔn)要求，取得了良好效果。