楊 帆 劉 岑 葉志娟 張紅衛(wèi) 劉小寧(.武漢軟件工程職業(yè)學(xué)院 湖北 武漢：43005；.湖北輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院 湖北 武漢：43005)

U肋內(nèi)焊技術(shù)的工藝參數(shù)優(yōu)化研究

楊 帆1劉 岑2葉志娟1張紅衛(wèi)1劉小寧1
(1.武漢軟件工程職業(yè)學(xué)院 湖北 武漢：430205；2.湖北輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院 湖北 武漢：430205)

U肋內(nèi)焊技術(shù)解決了U肋內(nèi)側(cè)角焊縫無法焊接問題，提高了U肋根部的疲勞強(qiáng)度，可廣泛應(yīng)用于橋梁正交異性板結(jié)構(gòu)的焊接。結(jié)合U肋內(nèi)焊技術(shù)實(shí)際樣板焊接情況，研究和探討了U肋內(nèi)焊技術(shù)的工藝參數(shù)優(yōu)化。優(yōu)化結(jié)果提高了焊接質(zhì)量，降低了工藝成本，提高綜合經(jīng)濟(jì)效益。

U肋內(nèi)焊；焊接；優(yōu)化焊接參數(shù)；疲勞強(qiáng)度

0 引言

鋼箱梁橋梁由于結(jié)構(gòu)簡單、用料省、工期短及制造成本低等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于我國橋梁建設(shè)中[1]，例如我國第一座跨徑超越千米的特大型懸索橋——江陰長江大橋以及世界首座主纜連續(xù)的三塔四跨懸索橋——武漢鸚鵡洲長江大橋等。

鋼箱梁橋梁的面底板通常采用正交異性板結(jié)構(gòu)形式[2]，而面底板大量采用U肋進(jìn)行加勁。然而U肋截面尺寸較小，常規(guī)焊機(jī)無法進(jìn)入其內(nèi)部施焊，因此行業(yè)內(nèi)U肋與面底板通常采用外焊的方式進(jìn)行焊接，即在U肋根部外側(cè)開制45°-60°坡口后與面底板進(jìn)行兩次單面焊接。第一次為防止自動(dòng)焊時(shí)發(fā)生燒穿現(xiàn)象在坡口根部所進(jìn)行的打底焊，第二次為在打底焊焊縫面層進(jìn)行的蓋面焊，使得焊縫熔敷飽滿，成型美觀。因此U肋根部內(nèi)側(cè)與面底板間存在一個(gè)連續(xù)或者斷續(xù)的深度不大于1.6mm的開口，造成應(yīng)力集中，抗疲勞性差。長期在交變載荷的作用下，面底板或U肋發(fā)生豎向撓曲變形，從而在焊趾或焊根處引發(fā)疲勞裂紋，導(dǎo)致開裂。

U肋內(nèi)焊技術(shù)即設(shè)計(jì)制造出適應(yīng)U肋內(nèi)部空間大小的焊機(jī)：焊機(jī)固定在約10m長的方管一端(方管和焊機(jī)的大小都能適應(yīng)U肋內(nèi)部空間)，方管另一端焊接在龍門架上，通過伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)龍門架直線行走從而帶動(dòng)焊機(jī)在U肋內(nèi)部進(jìn)行縱向直線十字交叉焊接。該技術(shù)從根本上解決了U肋內(nèi)側(cè)角焊縫無法焊接問題，同時(shí)在內(nèi)焊完成后還要進(jìn)行外焊，保證U肋根部內(nèi)外兩側(cè)都得到施焊，因此U肋根部的疲勞強(qiáng)度及正交異性板結(jié)構(gòu)的疲勞壽命得到大幅提高。筆者根據(jù)企業(yè)工作經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合U肋樣板內(nèi)焊試驗(yàn)情況，研究和探討了U肋內(nèi)焊技術(shù)工藝參數(shù)的優(yōu)化，并對(duì)優(yōu)化后的結(jié)果進(jìn)行了分析。

1 U肋內(nèi)焊技術(shù)及工藝參數(shù)的優(yōu)化

對(duì)已完成內(nèi)焊試驗(yàn)的樣板焊接質(zhì)量進(jìn)行檢查并結(jié)合樣板焊接過程情況，發(fā)現(xiàn)主要存在以下問題：焊機(jī)斷弧較頻繁、樣板彎曲變形過大、焊縫熔敷金屬不均勻等。通過對(duì)焊接電壓(電流)、裝配參數(shù)、工序及焊接保護(hù)氣體成分等工藝參數(shù)進(jìn)行分析及優(yōu)化，解決這些問題。

(1)內(nèi)焊試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)焊機(jī)會(huì)間斷性、反復(fù)地?cái)嗷。粌H降低生產(chǎn)效率，同時(shí)由于過多斷弧、二次起弧產(chǎn)生的焊接接頭會(huì)造成應(yīng)力集中，降低焊縫的疲勞強(qiáng)度。經(jīng)分析，發(fā)現(xiàn)斷弧主要原因在于U肋與面底板裝配間隙過大，在內(nèi)焊焊機(jī)槍頭經(jīng)過裝配間隙時(shí)發(fā)生斷路，造成斷弧。由于以往U肋板單元只通過外焊來制造，外焊焊機(jī)體積較大、系統(tǒng)功能完善及對(duì)工況適應(yīng)性較強(qiáng)，對(duì)于稍大裝配間隙的影響可以忽略。而內(nèi)焊焊機(jī)由于本身工作空間狹小，因此焊機(jī)的功能及適應(yīng)性較弱，此時(shí)，裝配間隙就會(huì)造成斷弧。將裝配工序由每間隔600mm點(diǎn)焊一段30mm的焊縫改為每間隔300mm點(diǎn)焊一段60mm的焊縫，保證裝配間隙控制在0.5mm以內(nèi)，允許個(gè)別局部位置0.75mm以內(nèi)后，斷弧現(xiàn)象明顯減少。

(2)內(nèi)焊試驗(yàn)前，制定的工序?yàn)闃影逖b配→樣板內(nèi)焊→樣板外焊→機(jī)械校正，考慮到內(nèi)焊技術(shù)施焊空間密閉，散熱不易，為避免施焊時(shí)燒穿焊縫背面，因此設(shè)計(jì)U肋鈍邊尺寸比一般的外焊制造鈍邊尺寸(1mm)[3]厚0.5mm，為1.5mm。根據(jù)電腦模擬加載結(jié)果，1.5mm鈍邊的U肋靜載強(qiáng)度和成型變形都良好。但在實(shí)際焊接過程中，發(fā)現(xiàn)兩道焊接工序下來，樣板縱向面外彎曲變形遠(yuǎn)大于只外焊時(shí)的縱向面外彎曲變形，需經(jīng)過多次機(jī)械校正才能滿足工藝要求(甚至有些彎曲變形經(jīng)多次機(jī)械校正仍無法滿足工藝要求，只能報(bào)廢)，降低了生產(chǎn)效率。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，由于內(nèi)焊的樣板要經(jīng)過內(nèi)焊、外焊兩次不連續(xù)、長時(shí)間的焊接，而且兩次焊接工序間斷時(shí)間不長，不能通過時(shí)效法消除應(yīng)力，且兩道焊接工序間沒有進(jìn)行校正，因此內(nèi)焊產(chǎn)生的焊接殘余應(yīng)力會(huì)釋放于外焊過程中，使樣板發(fā)生過度變形。同時(shí)鈍邊尺寸越小，外焊量越大，而焊接量越大，變形就越大，因此變形愈發(fā)明顯。在內(nèi)焊工序完成后增加錘擊法消除內(nèi)焊產(chǎn)生的焊接殘余應(yīng)力，同時(shí)將鈍邊尺寸改為3mm后，彎曲變形明顯減少。

(3)除了內(nèi)焊試驗(yàn)時(shí)使用的焊絲與外焊打底焊不同外(內(nèi)焊焊絲型號(hào)：GWL-W56， φ1.2mm；外焊焊絲型號(hào)：GFL-71Ni，φ1.4mm)，其他焊接工藝參數(shù)均參照外焊打底焊設(shè)定：藥芯焊絲CO2氣保焊，電流300-320A，電壓33-35V，焊接速度580-620mm/min。但焊接完成后發(fā)現(xiàn)部分焊縫存在嚴(yán)重咬邊、氣孔及大量飛濺，焊接質(zhì)量較差。經(jīng)分析，發(fā)現(xiàn)原因在于U肋內(nèi)部空間密閉，在相同條件下內(nèi)焊焊接產(chǎn)生的熱能高于外焊焊接產(chǎn)生的熱能。因此，應(yīng)在保證焊縫熔深滿足要求的前提下，內(nèi)焊焊接電流應(yīng)適當(dāng)減小，同時(shí)降低焊接速度，使焊縫熔池中氣體充分逸出。在調(diào)整焊接電流，試驗(yàn)數(shù)次后發(fā)現(xiàn)焊接電流調(diào)整為280-300A，焊接速度調(diào)整為350-400mm/min時(shí)，上述焊接缺陷明顯減少。

(4)通過觀察發(fā)現(xiàn)，樣板U肋內(nèi)部角焊縫存在金屬熔敷不均勻現(xiàn)象：熔敷金屬大量偏向板單元一側(cè)，而U肋根部處熔敷金屬明顯較少。這會(huì)造成焊縫疲勞強(qiáng)度不足，降低U肋板單元疲勞壽命。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)原因在于工作時(shí)焊槍中心點(diǎn)是對(duì)準(zhǔn)U肋內(nèi)側(cè)與板單元的接觸線進(jìn)行縱向焊接，如圖1所示，而U肋內(nèi)側(cè)是沒有開制坡口的，因此焊縫熔池金屬在結(jié)晶的過程中，受重力影響，總是偏向于板單元一側(cè)，造成焊縫處金屬熔敷不均勻。在將焊槍工作中心點(diǎn)改為接觸線偏U肋上方10-20mm后，熔敷明顯均勻。

圖1 優(yōu)化前焊槍的焊接位置

(5)內(nèi)焊試驗(yàn)時(shí)采用與外焊相同的二氧化碳保護(hù)氣體+藥芯焊絲的焊接方式，忽略了藥芯焊絲焊接后會(huì)在焊縫表面覆蓋一層藥皮，影響焊縫質(zhì)量的目檢。以往外焊時(shí)，采取工人在焊機(jī)后1m進(jìn)行邊焊邊敲擊的方法來除藥皮。而內(nèi)焊時(shí)人工除藥皮的方法無法采用，因此樣板內(nèi)焊時(shí)采用在焊接槍頭處后200mm設(shè)置彈簧卡緊裝置并在彈簧前端安裝勾爪，跟隨槍頭掃過焊縫表面，除去藥皮層。但根據(jù)實(shí)際情況，發(fā)現(xiàn)該方法并不理想，總會(huì)有部分藥皮沒有清理，仍然覆蓋在焊縫表面，導(dǎo)致無法檢查焊縫質(zhì)量。在溝通討論后，決定變更焊接保護(hù)氣體和焊材，采用富氬混合保護(hù)氣體(Ar+CO2+O2)+實(shí)心焊絲，由于實(shí)心焊絲沒有藥皮層，焊接完成后焊縫直接裸露，從根本上解決了去除藥皮的困難。同時(shí)混合保護(hù)氣體焊本身就具有飛濺小、焊縫成型美觀等優(yōu)點(diǎn)，因此優(yōu)化后采用富氬混合保護(hù)氣體+實(shí)心焊絲的焊接方式。

2 優(yōu)化效果

基于U肋內(nèi)焊技術(shù)樣板焊接情況，通過合理調(diào)整工序、改變工藝規(guī)范對(duì)U肋內(nèi)焊技術(shù)的工藝參數(shù)進(jìn)行了分析優(yōu)化，優(yōu)化后U肋內(nèi)部角焊縫金屬熔敷均勻，成形美觀，焊接質(zhì)量良好，如圖2。

圖2 優(yōu)化后U肋內(nèi)焊焊縫

3 結(jié)論

鋼箱梁橋梁的面底板采用U肋內(nèi)焊技術(shù)可行，通過優(yōu)化焊接工藝參數(shù)，可降低工藝成本，提高焊接質(zhì)量。

(1)適當(dāng)提高裝配工序點(diǎn)焊焊縫密度，保證焊縫間隙不大于0.5mm，可有效減少內(nèi)焊斷弧現(xiàn)象；

(2)增加錘擊法消除內(nèi)焊產(chǎn)生的焊接應(yīng)力并將鈍邊尺寸改為3mm時(shí)，可有效減少內(nèi)焊變形；

(3)設(shè)置內(nèi)焊焊接電流為280-300A及焊接速度為350-400mm/min時(shí)，可有效減少焊接缺陷；

(4)調(diào)整內(nèi)焊焊槍工作中心點(diǎn)為U肋與底板接

觸線偏U肋上方10-20mm后，可使焊縫處金屬熔敷均勻；

(5)采用富氬混合保護(hù)氣體及實(shí)心焊絲的焊接方式，可從根本上解決去除藥皮的困難，焊縫成型美觀，焊接質(zhì)量好。

[1] 《中國公路學(xué)報(bào)》編輯部.中國橋梁工程學(xué)術(shù)研究綜述·2014[J].中國公路學(xué)報(bào)，2014，(5)：1-96.

[2] W.C.Astiz,Wind Related Behavior of Alternative Suspension Bridge. IABSE學(xué)術(shù)會(huì)議論文文集.哥本哈根，1996.

[3] 張華，胡昂，張志偉，等.鋼橋U肋角焊縫細(xì)絲埋弧焊實(shí)驗(yàn)研究[J].金屬加工(熱加工)，2016，(4)：73-75.

(責(zé)任編輯：李文英)

Study on Optimization of Process Parameters of U-rib Internal Welding Technology

Yang Fan1Liu Cen2Ye Zhijuan1Zhang Hongwei1Liu Xiaoning1

(1.Wuhan Vocational College of Software and Engineering, Wuhan 430205, Hubei;2.Hubei Light Industry Technology Institute, Wuhan 430205, Hubei)

The problem that U-rib inside fillet welds couldn’t be welded had been solved and the fatigue strength of the U-rib roots was improved by using U-rib internal welding technology. It could be widely used in the welding of bridge orthotropic plate structure. Based on actual template welding situation of U-rib internal welding technology, the optimization of process parameters of U-rib internal welding technology was studied and discussed. The quality of welding was improved, the process cost was reduced and the comprehensive economic benefits were improved through the optimization.

U-rib internal welding; weld; optimize welding parameters; fatigue strength

2017-02-18

2017-03-06

湖北省教育廳科研項(xiàng)目(B2015376)；武漢市教育局重點(diǎn)教研項(xiàng)目(2015029)；黃鶴英才(教育)計(jì)劃項(xiàng)目

楊 帆(1989～),男，碩士，助理工程師.E-mail：15172540623@163.com

TG44

A

1671-3524(2017)01-0015-03