范軍旗，劉萬里，王 杰

中鐵山橋集團有限公司，河北 秦皇島 066205

0 前言

正交異性橋面板由鋼結構面板以及與其焊接的橫梁、縱肋構成，縱肋主要為U型肋結構，能夠提供較大的抗扭剛度和抗彎剛度，改善整個橋面板的受力狀態(tài)。U肋正交異性橋面板結構是鋼箱梁橋最常見的結構形式，具有質(zhì)量輕、承載能力強、經(jīng)濟性好等特點，目前已經(jīng)廣泛應用于大、中、小型橋梁建設[1-3]。常規(guī)的U肋正交異性板單元焊接生產(chǎn)主要分為組裝定位和焊接兩個工序。定位焊的存在增加了焊縫質(zhì)量的波動性，尤其在起弧、熄弧位置容易產(chǎn)生氣孔和弧坑裂紋缺陷，成為潛在的裂紋源。橋梁運營過程中，在車輛集中載荷的作用下容易出現(xiàn)疲勞裂紋，并迅速擴展，影響鋼橋的使用壽命和運行安全。為提高鋼橋正交異性橋面板的抗疲勞性能，王春生[2]、張芹[4]、蔣波[5]等研究認為增加橋面板厚度可以提高疲勞強度，馬宇平[6]通過模型試驗和有限元分析認為增加U肋與面板間角焊縫的熔透率可以改善橋面板的疲勞性能；徐向軍[7]、張華[8]、周宇琦[9]等應用U肋內(nèi)側角焊縫專用焊接設備實現(xiàn)了U肋角焊縫雙面焊接，提高了焊縫的疲勞強度，但沒有改變組裝和焊接分開的生產(chǎn)模式，沒有消除定位焊對焊接質(zhì)量的不利影響，并且由于增加了一道U肋內(nèi)側焊接工序，降低了生產(chǎn)效率。

本文通過U肋板單元免定位焊全熔透焊接試驗，用內(nèi)側角焊縫取代定位焊，取消定位焊工序，消除定位焊縫的不利影響，結合U肋板單元外側船位埋弧焊工藝，實現(xiàn)了U肋角焊縫全熔透焊接，提高了焊接質(zhì)量和生產(chǎn)效率。

1 組焊一體化關鍵設備

研制了一臺U肋板單元組焊一體化專用機床（見圖1），集U肋面板打磨、U肋組裝、內(nèi)側角焊縫焊接、外側角焊縫焊接等功能為一體，可實現(xiàn)在行走狀態(tài)下將U肋與面板定位、壓緊，同時進行內(nèi)側角焊縫的焊接。

圖1 U肋組焊一體化專機示意Fig.1 Schematic diagram of U-rib assembling and welding integrated special machine

（1）面板打磨系統(tǒng)。12組打磨機構同時對面板進行打磨，提高工作效率。煙塵凈化裝置自動吸收打磨產(chǎn)生的粉塵，避免環(huán)境污染。用改進的千葉輪取代鋼絲輪進行打磨，克服鋼絲輪打磨壓力大、易燒損電機、打磨效果差、鋼絲易彎曲折斷等問題，實現(xiàn)高效、高質(zhì)量的打磨，徹底清除焊接部位的有害物，使打磨面露出明亮的金屬光澤。

（2）U肋組裝系統(tǒng)。設計了可調(diào)整間距與尺寸的U肋連續(xù)定位、壓緊裝置，實現(xiàn)行走狀態(tài)下對U肋進行組裝。其內(nèi)撐裝置與內(nèi)焊系統(tǒng)結合，可根據(jù)U肋尺寸手動調(diào)整其位置和寬度。工作時內(nèi)撐裝置的滾輪與U肋內(nèi)表面接觸，起到連續(xù)內(nèi)撐作用。外壓裝置的側輪可控制U肋張口和間距，上方壓緊輪對U肋上表面施加壓力，使U肋與面板密貼，其結構對U肋肢高偏差有一定的糾偏能力，避免因組裝間隙過大影響焊接質(zhì)量。

（3）U肋內(nèi)側角焊縫焊接系統(tǒng)。該系統(tǒng)由行走龍門、伸縮臂裝置、支撐平臺、焊接機頭、送絲裝置、氣保焊電源、冷卻水箱、煙塵凈化系統(tǒng)、工件定位裝置、焊接平臺等組成，可實現(xiàn)6根U肋內(nèi)部兩側同時焊接。包括氣體保護焊和埋弧焊2套焊接裝置，可根據(jù)情況采用不同方法焊接；配置了4組螺旋升降裝置，可根據(jù)工件面板厚度變化，調(diào)整伸縮臂裝置的高度，使其與工件高度一致；伸縮臂與行走機床之間的連接裝置可根據(jù)U肋數(shù)量變化進行快速安裝或拆卸，保證伸縮臂的數(shù)量與板單元U肋的數(shù)量一致。

（4）U肋外側角焊縫焊接系統(tǒng)。為了實現(xiàn)U肋角焊縫全熔透焊接，同時提高焊縫外觀質(zhì)量，外側角焊縫采用U肋板單元船位埋弧自動焊專機焊接。專機配置6套焊臂裝置、船位反變形胎架、焊劑回收裝置和焊縫跟蹤裝置等，可以實現(xiàn)12把氣保焊槍同時對6條U肋進行船位埋弧焊，自動跟蹤焊縫，自動回收焊劑。外側焊接機頭前端安裝有傳感式焊縫跟蹤裝置，傳感器探頭沿工件滑動實現(xiàn)跟蹤，不受焊接電弧的干擾，具有初始自動尋找焊縫、焊縫末端定位探測、換向跟蹤、強制跟蹤等多種功能。

2 U肋角焊縫焊接試驗

2.1 U肋內(nèi)側角焊縫

制作試件分別采用富氬氣體保護焊和埋弧焊進行U肋內(nèi)側角焊縫焊接試驗。試件材質(zhì)為Q345qD，面板長度1 000 mm，寬度400 mm，厚度18 mm；面板上組裝1根U肋，U肋長1 000 mm，上口寬180 mm，下口寬300 mm，高度300 mm，板厚8 mm。試件裝配間隙控制在0.5 mm以內(nèi)。氣體保護焊試件坡口角度51°，鈍邊尺寸2 mm，焊接電流280 ～300 A，電壓32 ～34 V，焊速380 mm/min，焊槍與面板角度為40°，焊絲干伸長15 ～20 mm；埋弧焊試件不開坡口，焊接電流380 ～420A，電壓30 ～34V，焊速400mm/min，焊槍與面板角度為40度，焊絲干伸長15 ～20 mm。

富氬氣體保護焊容易實現(xiàn)保護氣體的長距離輸送，具有焊縫成形好，焊接飛濺小、焊縫力學性能優(yōu)良的特點，但其對焊縫區(qū)域的鐵銹、底漆等較為敏感，打磨不徹底時容易出現(xiàn)焊接電弧不穩(wěn)定、焊縫成形變差、氣孔缺陷等問題。由于是明弧焊接，焊接機頭部位溫度高，保護氣體及壓縮空氣管道防護不好會漏氣，造成保護中斷或失效。富氬氣體保護焊對設備穩(wěn)定性要求較高，焊前需要較長時間檢查準備。另外，富氬氣體保護焊焊接U肋內(nèi)側角焊縫時，焊縫熔深較淺，一般不會超過2 mm，進行U肋角焊縫全熔透焊接時質(zhì)量控制的難度較大。

埋弧焊采用焊劑保護，受外界環(huán)境干擾較小，焊接過程穩(wěn)定，焊縫力學性能優(yōu)良。焊接時周圍區(qū)域溫度低，對設備的損害小。其熔深大、熔寬大的特點有利于實現(xiàn)U肋角焊縫的全熔透焊接。但在U肋內(nèi)側的狹小空間內(nèi)，焊劑輸送困難、焊后熔渣難以清理，是埋弧焊必須解決的問題。為了達到U肋角焊縫全熔透的目的，選擇焊接材料為CJQ-3焊絲（直徑1.6 mm）+SJ501U焊劑。焊絲直徑小，能量密度大，可以增加熔深，焊劑脫渣性能好，焊后自然脫落，無需在U肋內(nèi)側清渣。

埋弧焊試驗過程中遇到的主要問題：（1）焊劑鋪灑高度不夠、鋪灑過程中時斷時續(xù)，造成弧光泄露，出現(xiàn)氣孔缺陷。經(jīng)過排查，原因是焊劑料斗設計不合理，存在出料口的高度不夠、出料量過小、料斗尺寸與U肋尺寸不匹配、焊接過程中料斗變形等問題，對焊劑料斗進行改進后問題得到了解決。（2）多把焊槍同時焊接，出現(xiàn)個別焊縫成形不良、焊縫余高過大、焊縫不飽滿，焊腳尺寸過小，焊趾過渡不勻順等，通過采取更改焊接電源設置、調(diào)整地線連接方式、調(diào)整焊接規(guī)范參數(shù)、排查送絲系統(tǒng)等措施后，問題得到了解決。

試驗總結出U肋內(nèi)側角焊縫埋弧焊的特點：（1）焊接電流與焊縫熔深關系較大，焊接電流在380 ～420 A時較為穩(wěn)定，熔透深度可達3 mm以上，最大電流不宜超過450 A，否則容易焊漏。（2）焊接電壓對焊縫外觀成形影響大，電壓31 ～33 V較為合適，但不能僅根據(jù)電源顯示數(shù)值判斷實際電壓，二次線過長、地線接觸不良均會造成壓降過大，需要根據(jù)焊縫成形進行調(diào)整。（3）焊槍與面板之間的角度較小時可以增加熔透深度，單角度過小時容易造成焊縫底板側未熔合、U肋側與面板側焊角尺寸偏差大的問題，焊槍與面板之間角度應以40°左右為宜。（4）焊槍正對焊縫根部有利于增加焊縫熔透深度，焊絲尖端離開U肋一定距離有利于改善焊縫成形，應根據(jù)電流、電壓和具體施焊情況進行調(diào)整。（5）U肋與面板之間的間隙對焊接穩(wěn)定性影響較大，U肋與面板密貼，在電流較大的情況下也不會焊漏，間隙較大易焊漏，還容易出現(xiàn)根部氣孔缺陷。

2.2 U肋外側角焊縫

U肋外側角焊縫采用U肋板單元外側船位埋弧焊專機焊接，焊接材料為H10Mn2焊絲（直徑3.2mm）+SJ101q焊劑，焊接電流630 ～660 A，電壓30 ～34 V，焊速420 mm/min，焊槍與面板之間角度為40°，焊絲干伸長20 ～25 mm。試驗過程中發(fā)現(xiàn)焊槍角度和對陣的位置對焊縫質(zhì)量影響很大，焊絲偏向U肋時由于U肋板薄，容易造成焊漏，焊絲偏向面板時，焊縫有效熔深小，容易出現(xiàn)未熔透缺陷，因此焊前必須仔細調(diào)整焊槍角度為40°±3°，焊槍位置須正對組裝間隙，并檢查焊縫跟蹤裝置，確保跟蹤功能正常，防止焊接過程中跑偏。

通過試驗制定了U肋角焊縫雙面埋弧全熔透焊接規(guī)范參數(shù)如表1所示，焊接尺寸為6 m×3.6 m的模擬板單元，并進行焊縫外觀質(zhì)量檢查和超聲波相控陣探傷，焊縫表面光潔，焊趾處過渡平順，無咬邊缺陷，焊縫內(nèi)部無未熔透、夾渣等缺陷。抽取兩條焊縫進行力學性能試驗，采用微機控制電子拉伸試驗機，按照標準GB/T 2652—2008進行焊縫金屬拉伸試驗，接頭硬度試驗采用數(shù)顯維氏硬度計，按照標準GB/T 226—2015、GB 4340.1—2009進行，測定方式為標線測定，載荷10 kg。試驗結果見表2，焊縫的屈服強度和抗拉強度均高于母材標準值，接頭硬度不超過350 HV10，滿足標準要求，斷面照片（見圖2）顯示焊縫熔合良好。

表1 焊接規(guī)范參數(shù)Table 1 Welding specification parameters

表2 力學性能試驗結果Table 2 Mechanical property test results

圖2 接頭斷面照片F(xiàn)ig.2 Photo of joint section

3 免定位焊組裝焊接試驗

模擬生產(chǎn)狀態(tài)進行免定位焊組裝焊接試驗，試驗件長度10 m，包含6條U肋。組焊前測量U肋的尺寸，組焊后測量U肋張口尺寸和中心距，對焊縫進行外觀檢查和相控陣超聲波探傷，工藝步驟如下：

（1）面板上料、定位與壓緊。面板的平面度和位置偏差對組裝后的構件尺寸影響很大，鋼板下料前進行趕平處理提高面板平面度，組裝前用卡具將面板卡固在平臺上，平臺側面設置擋塊，使面板與組裝臺車軌道平行。

（2）面板打磨。采用打磨系統(tǒng)對面板上焊接位置進行自動打磨，12條焊縫同時打磨，速度可達到1.5 m/min，打磨部位邊緣平齊、表面光滑有金屬光澤，效果良好。

（3）吊裝U肋。在面板上畫組裝線，將U肋逐根吊裝到面板上，調(diào)整U肋位置，縱向使U肋上的橫基線與面板橫基線精確對齊，橫向使U肋與面板上的組裝線大致對齊。

（4）U肋組裝系統(tǒng)調(diào)整。調(diào)整組裝系統(tǒng)外壓裝置的位置和間距，使U肋張口尺寸和中心距滿足圖紙要求。

（5）內(nèi)焊系統(tǒng)就位。粗略調(diào)整內(nèi)焊系統(tǒng)機頭跟蹤裝置、內(nèi)撐裝置及焊劑料斗的位置和尺寸，使內(nèi)焊機頭能進入U肋，添加焊劑后將內(nèi)焊機頭移動到板單元焊接起弧端。

（6）內(nèi)焊機頭調(diào)整。精確調(diào)整內(nèi)撐裝置的尺寸和位置，調(diào)整焊接跟蹤裝置到合適的位置，調(diào)整焊槍的角度、干伸長和焊絲對準的位置。

（7）組裝與焊接。調(diào)整內(nèi)焊系統(tǒng)和組裝系統(tǒng)的相對位置，將內(nèi)焊和組裝的行走機構設置為等速聯(lián)動，開始連續(xù)組裝焊接（見圖3）。

圖3 組焊一體化實施Fig.3 Integrated implementation of assembling and welding

組裝焊接一體化試驗主要檢驗組裝與焊接的配合實施。為了精確控制U肋的張口和間距，組裝系統(tǒng)設有外壓裝置和內(nèi)撐裝置，內(nèi)撐裝置和焊接機頭集成在一起，組焊前必須確定焊接機頭和外壓裝置的相對位置，行走過程中，內(nèi)外側機構行走速度必須保持一致。U肋張口尺寸偏小時，內(nèi)撐裝置須將U肋撐開，張口偏大時將U肋收緊，同時將U肋壓緊在面板上，焊接機構緊隨其后，保持合適的距離，將U肋和面板焊接在一起。

常規(guī)先定位再焊接的U肋板單元焊接工藝，由于定位焊和非定位焊處的初始狀態(tài)不同，焊后定位焊處焊縫明顯高于非定位焊處，影響焊縫外觀，對焊縫進行無損檢測，容易在定位焊處發(fā)現(xiàn)未熔透和氣孔缺陷。組焊一體化焊接沒有定位焊縫，消除了以上問題，焊縫全長外觀均勻一致，質(zhì)量更加穩(wěn)定，內(nèi)部缺陷降低70%以上。

實施過程中的難點：一是內(nèi)撐裝置與外壓裝置之間的配合，內(nèi)撐裝置必須有足夠的剛度能將U肋撐開，內(nèi)撐輪不能損壞，其尺寸和位置必須隨著外壓裝置的尺寸和位置的變化做出調(diào)整；二是壓緊機構將U肋與面板壓緊時，兩者之間的摩擦力增大，增加了外壓裝置糾正U肋位置偏差所需力矩，需要調(diào)整機構的壓緊力，既能將U肋與面板壓緊，又不影響外壓裝置糾偏；三是焊接與內(nèi)撐裝置的配合，焊接機構、焊劑料斗及內(nèi)撐裝置都在U肋內(nèi)側，為了實現(xiàn)各自的功能，必須確保它們與U肋之間的相對位置，要求調(diào)整到位，互相之間不會干擾。

試驗過程中發(fā)現(xiàn)焊后個別U肋中心距和組裝間隙超差（＞1 mm），原因是U肋壓制的形狀尺寸偏差過大，超出設備的糾偏能力，說明控制U肋制作的尺寸偏差是實現(xiàn)組焊一體化的必要條件，因此對U肋的尺寸偏差進行重點控制，張口寬度偏差-1.0 ～2.0 mm，旁彎≤L/2 000（L為U肋長度）且不超過5.0 mm，兩肢高差≤2 mm?？刂芔肋尺寸偏差后再次試驗，U肋中心距和組裝間隙超差問題得到解決。

4 結論

研究驗證了U肋板單元組焊一體化專用機床的各項功能，確定了U肋角焊縫雙面埋弧全熔透焊接規(guī)范參數(shù)，制定了免定位焊組裝焊接工藝步驟，并得出以下結論：

（1）采用U肋板單元組焊一體化專用機床，使用雙面埋弧焊工藝，可以實現(xiàn)免定位焊情況下U肋角焊縫全熔透焊接，焊縫外觀和力學性能均滿足相關標準要求。

（2）控制U肋的尺寸偏差是實現(xiàn)組焊一體化的必要條件，U肋的上口寬度偏差-1.0 ～2.0 mm，旁彎≤L/2 000（L為U肋長度）且不超過5.0 mm，兩肢高差≤2 mm時，能夠滿足組焊一體化的使用要求。