裴雪峰，車(chē)平，馮輝

中鐵寶橋集團(tuán)有限公司 陜西寶雞 721006

1 序言

正交異性鋼橋面板以其自重輕、承載能力大、跨越能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在大跨度橋梁中得到廣泛應(yīng)用。但在垂直的集中荷載作用下，面板會(huì)產(chǎn)生如圖1所示的結(jié)構(gòu)變形，U肋與面板連接處承受相互平衡的3個(gè)彎矩的共同作用，焊縫兩側(cè)力矩交替變化，于是在焊根和焊腳處產(chǎn)生彎曲次應(yīng)力，疲勞裂紋便從焊腳和焊根處萌生并擴(kuò)展。在輪載作用下，橋面板和U肋產(chǎn)生反復(fù)面外變形，U肋角焊縫根部不停地開(kāi)合，在內(nèi)焊設(shè)備未開(kāi)發(fā)出來(lái)之前，焊縫內(nèi)部無(wú)法焊接。由于焊根處為一個(gè)天然缺口，應(yīng)力集中較為明顯，同時(shí)，在加工制造環(huán)節(jié)，容易在焊縫根部產(chǎn)生焊接缺欠，由缺欠引起的應(yīng)力集中也降低了該部位的疲勞強(qiáng)度，因此導(dǎo)致鋼橋面板服役到一定壽命后U肋焊縫開(kāi)始出現(xiàn)疲勞開(kāi)裂等現(xiàn)象，影響到橋梁的耐久性[1，2]。

圖1 局部輪載下面板的面外變形示意

近二十年來(lái)，國(guó)內(nèi)的多家機(jī)構(gòu)對(duì)正交異性鋼橋面板的疲勞問(wèn)題進(jìn)行了大量研究。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，U肋與面板焊縫疲勞開(kāi)裂約占正交異性鋼橋面板疲勞裂紋總數(shù)的18.9%[3]，裂紋總長(zhǎng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他位置的疲勞裂紋。因此，U肋與橋面板連接焊縫成為設(shè)計(jì)及施工單位重點(diǎn)關(guān)注的部位。

2 U肋與橋面板焊縫設(shè)計(jì)演變

在內(nèi)焊設(shè)備未開(kāi)發(fā)出來(lái)之前，相關(guān)規(guī)范均要求U肋與橋面板焊縫熔透深度不低于U肋板厚的75%，且須滿足焊縫有效厚度大于U肋板厚。試驗(yàn)表明，只要制造時(shí)采取合理的焊接工藝，焊縫疲勞性能就能基本滿足設(shè)計(jì)要求，但在規(guī)?；a(chǎn)制造中，75%的熔透深度往往很難100%達(dá)到要求。

U肋內(nèi)焊技術(shù)的出現(xiàn)，解決了U肋內(nèi)部角焊縫無(wú)法焊接的難題。U肋內(nèi)部采用角焊縫焊接后，在車(chē)荷載作用下，面外變形引起的焊根頻繁開(kāi)合得到約束，根部未熔化的鈍邊被周?chē)鷱椝苄暂^好的母材和焊縫包圍，原焊根部位由面外變形引起的拉應(yīng)力大幅降低，改善了該處的次應(yīng)力分布和應(yīng)力集中情況，因而焊縫疲勞性能得到大幅提高[4]。武漢沌口長(zhǎng)江大橋成為世界上首次應(yīng)用U肋角焊縫雙面焊的鋼橋梁項(xiàng)目。

近年來(lái)，隨著U肋內(nèi)焊技術(shù)的發(fā)展，U肋內(nèi)焊焊接方法也由氣體保護(hù)焊發(fā)展到細(xì)絲埋弧焊，一些設(shè)計(jì)單位對(duì)U肋角焊縫要求也從雙面焊接到雙面全熔透焊接，如青山長(zhǎng)江大橋、嘉魚(yú)長(zhǎng)江大橋、石首長(zhǎng)江大橋及甌江北口大橋等項(xiàng)目要求雙面焊部分熔透，焊接工藝使用了雙面氣體保護(hù)焊工藝，而湖北武穴長(zhǎng)江大橋、四川金沙江長(zhǎng)江大橋、江漢七橋及深中通道項(xiàng)目要求U肋角焊縫全熔透焊接，目前部分項(xiàng)目已完工或正在生產(chǎn)中，如圖2~圖5所示。

圖2 U肋氣體保護(hù)內(nèi)焊

圖4 U肋內(nèi)焊（埋弧焊）

圖5 U肋外焊（埋弧焊）

3 U肋全熔透焊接工藝研究

3.1 U肋全熔透焊接方案確定

U肋角焊縫要實(shí)現(xiàn)全熔透焊接，目前業(yè)內(nèi)主要有兩種焊接工藝方式，即雙面氣體保護(hù)焊和雙面埋弧焊，中鐵寶橋集團(tuán)有限公司全面總結(jié)了以往所建項(xiàng)目的焊接經(jīng)驗(yàn)，分析對(duì)比了兩種焊接方法的優(yōu)缺點(diǎn)（見(jiàn)表1），最終確定采用雙面埋弧焊焊接方案，以保證U肋角焊縫熔透率。

表1 U肋角焊縫全熔透焊接工藝對(duì)比

3.2 U肋全熔透焊接工藝試驗(yàn)

針對(duì)U肋角焊縫雙面埋弧焊工藝，中鐵寶橋集團(tuán)有限公司先后進(jìn)行單板焊接試驗(yàn)及實(shí)體板單元模型件焊接試驗(yàn)，累計(jì)耗費(fèi)試驗(yàn)鋼板約140t，為板單元U肋角焊縫全熔透焊接工藝制訂積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。

（1）雙面埋弧焊工藝試驗(yàn)研究 在焊接設(shè)備改制完成前，采用大量的單板模擬試驗(yàn)。隨著試驗(yàn)的逐步深入及經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，對(duì)雙面埋弧焊工藝進(jìn)行了多次調(diào)整和優(yōu)化，焊縫合格率逐步達(dá)到了全熔透一次合格率≥96%的要求，具體試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 U肋全熔透工藝試驗(yàn)數(shù)據(jù)

（2）設(shè)備及工藝穩(wěn)定性試驗(yàn) 在設(shè)備改制完成后，進(jìn)行U肋實(shí)體板單元模型試驗(yàn)，驗(yàn)證設(shè)備性能，摸索、固化并穩(wěn)定焊接工藝。

先后3次共使用13塊板單元實(shí)體模型（L=9m）進(jìn)行試驗(yàn)（見(jiàn)圖6~圖10），經(jīng)過(guò)人員、設(shè)備磨合及工藝參數(shù)調(diào)試等不穩(wěn)定期，試驗(yàn)板單元U肋焊縫全熔透一次合格率穩(wěn)定在97%~99%之間，達(dá)到了試驗(yàn)預(yù)期目標(biāo)。

試驗(yàn)項(xiàng)目熔透合格率見(jiàn)表3。

試驗(yàn)所采用的焊接參數(shù)見(jiàn)表4。

圖6 板單元模型試驗(yàn)

圖7 U肋實(shí)體模型試驗(yàn)

圖8 單板試驗(yàn)U肋斷面照片

圖9 實(shí)體開(kāi)口模型試驗(yàn)U肋斷面照片

圖10 實(shí)體模型試驗(yàn)U肋斷面照片

表3 U肋角焊縫全熔透工藝穩(wěn)定性試驗(yàn)項(xiàng)目

表4 U肋角焊縫全熔透試驗(yàn)焊接參數(shù)

4 U肋全熔透焊接工藝的應(yīng)用

深中通道是集“橋、島、隧、水下互通”于一體的世界級(jí)跨海通道工程，制造標(biāo)準(zhǔn)高。項(xiàng)目主體工程全長(zhǎng)約24.03km，跨海長(zhǎng)度22.39km，陸域段長(zhǎng)度1.64km，其中橋梁工程全長(zhǎng)約17km，鋼箱梁總量約28萬(wàn)t，公司參與制造的伶仃洋大橋鋼箱梁（1/2）及西泄洪區(qū)非通航孔橋鋼箱梁，工程量約9.11萬(wàn)t，設(shè)計(jì)明確要求鋼橋面板U肋角焊縫采用全熔透焊接。

應(yīng)用前期U肋角焊縫全熔透焊接試驗(yàn)成果，指導(dǎo)深中通道首塊橋面板單元生產(chǎn)。橋面板單元首制件生產(chǎn)時(shí)，對(duì)雙向定尺板材預(yù)處理后，利用劃線平臺(tái)劃出板塊縱橫基準(zhǔn)線、U肋組裝位置線。U肋角焊縫焊接采用先內(nèi)焊、后外焊的方式進(jìn)行，焊接時(shí)重點(diǎn)控制焊絲角度及焊接參數(shù)，保證焊縫全熔透和焊縫外觀成形。

橋面板單元首制件U肋角焊縫長(zhǎng)度120m，一次無(wú)損檢測(cè)合格率為97.7%，焊縫缺欠主要集中在端部手工清根位置，主要表現(xiàn)為氣孔、夾渣，對(duì)超標(biāo)缺陷返修后合格率為100%。

橋面板單元首制件經(jīng)監(jiān)理及第三方檢測(cè)單位聯(lián)合驗(yàn)收，一致認(rèn)為符合質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)要求，同意橋面板單元進(jìn)行批量生產(chǎn)。

5 板單元U肋全熔透焊接工藝探討

從U肋角焊縫全熔透板單元焊接實(shí)際情況來(lái)看，焊接工藝穩(wěn)定可靠，焊縫外觀質(zhì)量?jī)?yōu)良，熔透率滿足設(shè)計(jì)文件要求。但是，在焊接過(guò)程中，以下問(wèn)題應(yīng)引起重視。

5.1 關(guān)于焊縫缺欠問(wèn)題

（1）焊縫端部缺欠 原因分析：由于無(wú)法使用引弧板、引出板，U肋角焊縫兩端引熄弧部位約150mm范圍內(nèi)焊設(shè)備均不能到達(dá)，此部位需要進(jìn)行碳弧氣刨后手工焊接，人為因素影響較大。

建議：對(duì)內(nèi)焊設(shè)備進(jìn)行改造，使兩側(cè)焊槍前后錯(cuò)開(kāi)距離降低至80mm，可使手工焊接工作量減半，降低人為因素對(duì)焊縫的影響。

（2）焊縫其余部位缺欠 原因分析：①組裝后橋面板U肋焊縫直線度較差，且U肋與面板間隙局部不滿足技術(shù)要求。②內(nèi)焊、外焊焊槍角度控制不當(dāng)，每次施焊焊槍角度存在一定差別。③在焊機(jī)龍門(mén)架行走過(guò)程中，存在輕微的振動(dòng)，導(dǎo)致焊絲角度發(fā)生波動(dòng)，偏離既定焊接位置，易產(chǎn)生未焊透。④焊劑長(zhǎng)時(shí)間暴露于空氣中吸潮，定位焊縫打磨時(shí)形成的粉末狀鐵屑和漆膜粉塵等進(jìn)入焊縫根部，內(nèi)焊時(shí)易在焊縫中形成氣孔。

建議：①優(yōu)化U肋組裝定位焊順序，嚴(yán)格控制U肋與面板直線度及組裝間隙。②制作角度樣板，固化內(nèi)焊、外焊焊槍角度，避免人為因素的影響；外焊旋轉(zhuǎn)胎架增加角度刻度盤(pán)和轉(zhuǎn)角限位器，以精確控制胎架角度。③對(duì)內(nèi)焊設(shè)備行走平臺(tái)進(jìn)行改造，使其與內(nèi)焊工裝平臺(tái)間無(wú)間隙、無(wú)高差銜接，保證內(nèi)焊焊機(jī)行走機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性，降低設(shè)備對(duì)焊接質(zhì)量的影響。④專(zhuān)門(mén)針對(duì)內(nèi)外焊設(shè)備配置焊劑烘干箱，做到焊劑方便烘干、隨用隨??；將定位焊縫打磨工序由內(nèi)焊前調(diào)整至內(nèi)焊后進(jìn)行。原因是內(nèi)焊后，U肋與面板間隙消除，從根本上杜絕了粉末狀鐵屑等進(jìn)入焊縫根部的可能，然后再采用壓縮空氣對(duì)焊縫部位進(jìn)行清理。

5.2 關(guān)于 U肋焊縫返修問(wèn)題

焊接缺欠的返修是焊接過(guò)程中無(wú)法避免的問(wèn)題。在U肋角焊縫全熔透焊接時(shí)，受多方面因素影響，焊縫中也會(huì)存在諸如氣孔、夾渣等焊接缺欠，但U肋全熔透角焊焊縫的返修具有特殊性。有多位專(zhuān)家表示，U肋全熔透角焊縫返修弊大于利，一方面是焊縫返修難度極高，且易在焊縫根部形成裂紋及焊瘤等難以避免的缺陷；另一方面，焊縫經(jīng)返修后在該部位造成了更大的、分布更加復(fù)雜的殘余應(yīng)力，導(dǎo)致抗疲勞性能明顯下降[5]。目前，U肋全熔透角焊縫檢測(cè)、驗(yàn)收尚無(wú)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)規(guī)范，每個(gè)項(xiàng)目按照各自制定的標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，為減少返修對(duì)結(jié)構(gòu)帶來(lái)的二次損傷，應(yīng)在參考國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，制定更加合理可行的檢測(cè)、驗(yàn)收指標(biāo)。

5.3 關(guān)于內(nèi)側(cè)焊縫清渣問(wèn)題

目前，U肋板單元內(nèi)焊清渣基本采用豎轉(zhuǎn)傾倒式，即將板單元沿長(zhǎng)度方向提起來(lái)一定角度，通過(guò)敲擊的方式使焊劑自行脫落，如圖11所示。作為自動(dòng)化焊接設(shè)備應(yīng)當(dāng)具備的配套功能，現(xiàn)有清渣過(guò)程耗時(shí)耗力，對(duì)環(huán)境污染大，安全風(fēng)險(xiǎn)高。因此，建議研發(fā)小型機(jī)器人設(shè)備用于內(nèi)焊清渣，實(shí)現(xiàn)清渣的自動(dòng)化作業(yè)，提高功效，降低安全風(fēng)險(xiǎn)。

圖11 板單元傾倒式清渣

6 結(jié)束語(yǔ)

隨著U肋內(nèi)焊技術(shù)日趨發(fā)展完善，不但很大程度上解決了U肋焊縫從內(nèi)側(cè)根部開(kāi)裂的問(wèn)題，而且提高了U肋焊縫的抗疲勞能力。

1）在鋼結(jié)構(gòu)U肋埋弧焊接過(guò)程中，只要采取適當(dāng)?shù)暮附庸に?，即可?shí)現(xiàn)U肋焊縫全熔透焊接。

2）如果要減少U肋焊縫返修對(duì)結(jié)構(gòu)帶來(lái)的二次損傷，應(yīng)制定合理的U肋全熔透焊縫檢測(cè)及驗(yàn)收規(guī)范，在保證焊縫質(zhì)量的前提下，減少不必要的焊縫返修。