钢箱梁U肋角焊缝全熔透焊接技术探究
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摘 要：阐述目前钢桥梁U肋角焊缝生产制造现状，分析桥面板与U肋角焊缝易出现疲劳裂纹的原因。通过调研分析，研究适用于U肋角焊缝全熔透焊接生产的3种可行性焊接方案，对比分析3种焊接方案的优缺点，确定最优化、最高效的焊接工艺方案。
关键词：U肋角焊缝 全熔透 焊接方案
近年来，随着经济发展对交通建设的需求日益增长，材料技术、焊接技术、设计技术以及架设施工技术等也在不断进步，大跨径钢桥以其新型、大跨、轻质和美观等优势，得到了突飞猛进地发展。钢箱梁斜拉桥是一种新型结构形式的桥梁，可以实现大跨径、特大跨径的桥梁要求，而成为我国公路桥梁发展的主要方向之一。
钢桥面板是由较薄的面板、纵向肋和横向肋组成，三者互为垂直，焊接成一w而共同工作，由于在相互垂直方向上的刚度各不相同，在受力行为上呈现各向异性，故称为正交异性板桥面板。钢正交异性板在均布荷载作用下有很大的极限承载力，然而在集中荷载作用下会产生局部“锅底状”变形，而且，任一部件的竖向挠曲变形都将引起与之相邻部件的面外挠曲变形，在焊缝约束处产生次应力。
1 U肋角焊缝疲劳裂纹分析
钢正交异性桥面板的构造复杂、焊缝数量多、施焊难度大、工厂制造和现场的组装精度和焊接质量要求较高，特别是U肋角焊缝的熔深性、咬边和其他焊接缺陷，都将成为潜在的疲劳裂缝源。U肋与顶、底板之间的焊缝，由于反复受到汽车轮压载荷的作用，行车道部位的U肋角焊缝很容易疲劳开裂。
U肋是大型板式钢结构尤其是钢桥梁中的重要受力构件，U肋由于其固有的封闭、狭窄细长的结构特性，早期加工时大多采用贴角焊，焊缝只要达到规定的焊脚尺寸就算合格，后来要求焊接时的熔透深度达到U肋厚度的75%或80%。但是角焊缝内根部由于位于U肋狭小空间内不能施焊，导致焊缝根部产生较大的应力集中，所以从贴角焊优化到部分熔透焊缝，并未从根本上避免U肋角焊缝处的疲劳裂纹问题。其裂纹扩展形态基本类似，主要有以下2种形态（如图1所示）：（1）裂纹起源于焊根，大体上沿着桥面板向桥面板上表面方向或者沿着焊喉方向扩展；（2）裂纹起源于焊趾，大体上沿着桥面板向桥面板上表面方向或者沿着焊缝与U肋结合处或U肋厚度方向扩展。
针对U肋板单元焊接时存在角焊缝根部不能熔透、易产生疲劳裂纹的问题，笔者所在公司首次提出U肋角焊缝全熔透焊接研究。笔者所在公司虽然具有丰富的桥梁制造经验，但是U肋角焊缝的熔透深度一般只要求达到75%～80%即可，在U肋全熔透焊接研究也是出于探索阶段。除此之外，国内外其他桥梁制造企业在U肋角焊缝全熔透焊接上也望而却步，没有切实有效的焊接方案可以实现U肋角焊缝的全熔透焊接，对此目前并没有可借鉴的成功焊接研究经验。
2 U肋角焊缝全熔透焊接工艺方案
针对U肋的结构和焊接特点，笔者所在公司经过广泛地市场调研和深入地分析研究，认为目前可从双面焊接和单面焊双面成型焊接两方面进行U肋全熔透焊接研究。对于双面焊接来说，焊接的关键点在于需要设计一款特殊的焊接设备，能够进入U肋内部完成焊接工作，而外部焊接相对简单，目前的焊接工艺完全可以独立完成。对此，笔者所在公司重点调研了YS-1DT6箱管焊机和微型的内部焊接小车。对于单面焊双面成型焊接来说，焊接的难点在于，目前的焊接设备需要在U肋背部加装衬垫的前提下才能实现全熔透焊接，而加装衬垫对于U肋的加工和装配精度要求极高，同时大大降低了生产效率，提高了生产成本和桥梁自重，对于目前的桥梁生产制造来说并不可取。对此，笔者所在公司率先提出采用聚弧脉冲深熔焊焊机来实现U肋全熔透焊接。下文将对3种焊接方案进行一一详述。
2.1 YS-1DT6箱管焊机
YS-1DT6箱管焊机采用埋弧焊接技术，通过3根并排排列的金属管伸入构件内部将焊丝和焊剂输送到焊接位置，其中两外侧的金属管尾端各配备一台送丝设备，见图2，将焊丝沿金属管内部推送到金属管前端并穿过焊枪到达焊接位置，见图3；中间的金属管输送埋弧焊剂，金属管前端配置分流盒，将焊剂分流成2股，分别输送到两侧焊接位置。整个焊接过程焊件保持不变，由传动机构推动焊接导管和焊枪完成。
该焊机属于外单位生产作业设备，由于种种原因，笔者所在公司未对该设备进行相关的探索性焊接试验，仅对其在U肋全熔透焊接应用的可能性进行了理论分析。
焊接设备能否进入U肋内部进行焊接是双面焊能够成功的关键。YS-1DT6箱管焊机对内部空间的限制较小，要求焊接件高度不小于50 mm，宽度不小于100 mm；而对于焊接长度，箱管焊机采用推拉丝技术可以实现10 m以上直道焊缝，并且可以实现2条焊缝同时焊接，焊接效率较高。但是YS-1DT6箱管焊机一次性投资大，并且需要特定焊接工位，且焊后焊机回收和清渣工作任务量较大。
2.2 内部微型焊接小车
微型焊接小车与普通的气体保护焊配套焊接小车功能类似，但体积较小、重量轻，能够进入到U肋内部进行焊接作业。该焊接小车单机作业，每个小车携带一把气体保护焊焊枪（见图4），焊丝通过推拉丝技术输送到焊接位置，最大焊接距离可达到16 m左右（见图5），并且焊接小车携带焊接监视系统，可实时监控焊接质量。但是一次只能焊接一道焊缝，焊接电缆太长、工人操作烦琐、小车回程太慢、焊接效率较低。
2.3 聚弧脉冲深熔焊焊机
双面焊焊接工艺能够实现U肋的内部打底焊接，可以对全熔透焊接起到背部堵漏的效果，防止外部焊接时背部烧穿。但是箱管焊机和焊接小车各有优缺点，整体上来说将大大增加焊接工作量和劳动成本，并非是一种理想的焊接解决方案。对此，笔者所在公司通过市场调研考虑采用聚弧脉冲深熔焊机对U肋进行单面焊双面成型的全熔透焊接。
雷姆公司聚弧脉冲深熔焊机是一款集合普通电弧、脉冲电弧、双脉冲电弧、焊条手工焊、独具特性的起弧和收弧等功能于一身的焊接设备。主要具有以下特点：
（1）采用高度聚焦电弧进行焊接时，可显著改善电弧渗透、增加坡口根部的穿透力，使焊缝根部成型得到保证；同时减少了热输入量、增加了熔化和工作效率，以最经济的方式获得最理想的焊缝。
（2）焊接速度较其他同类焊机提高了30%，设定好全部焊接专家程序只需几秒，操作极为方便。采用最佳焊接过程使熔化效率和焊接速度显著提高，以超速反应来精密调节电弧长度使电弧始终稳定。焊接时电弧精准地保持在坡口根部，为焊接钢构件提供绝对保证。
（3）该焊机集5大焊接功能于一身，有170个经优化的焊接专家程序，无论焊接碳钢及低合金钢，或者不锈钢、铝、铜钎焊以及焊接锡合金等都能获得最佳焊接质量。
（4）U肋属于较长的直道焊缝且内部焊接很难稳定实现，采用MEGA.FOCUS500聚弧脉冲深熔焊焊机进行U肋角焊缝的第一层打底焊接时，可以使得U肋角焊缝实现100%熔透、正反面焊接成型，成功实现8 mmU肋角焊缝的全熔透焊接（见图6）。
2.4 3种焊接工艺方案对比分析
笔者所在公司重点调研了以上3种焊接工艺方案，对比分析各方案之间的优缺点，最终认为聚弧脉冲深熔焊焊机可作为U肋全熔透焊接的理想焊接设备，各方案的性能特点如表1所示。
采用箱管焊机和焊接小车进行内部焊接的目的，主要是解决正面进行全熔透焊接时背部易烧穿造成液体流淌的问题，在正面焊接前先采用可伸入U肋内部的焊接设备进行内部封底焊接，以起到类似衬垫的堵漏作用，然后再采用常规焊接方法进行外部焊接。虽然通过箱管焊机与内部焊接小车采用双面焊接工艺可以实现U肋的全熔透焊接，但是两方案均无法达到最理想的焊接效果。
（1）从工件空间要求、焊接质量、焊接效率以及设备稳定性等角度出发，可考虑采用箱管焊机。箱管焊机对工件空间要求低、设备简单易操作、不易出现故障、焊接质量可靠，但是箱管焊机的焊接长度拓展空间有限、投资成本大、需特定焊接工位、灵活性较差，仅可用于焊接U肋等内部狭小空间的直道焊缝，一次性投资大花用应用范围较眨浚2）从灵活性、投资成本、焊接长度等角度出发，可考虑采用焊接小车。焊接小车小巧灵便、不受场地限制、焊接长度拓展空间较大、投资成本低；但是设备复杂、操作烦琐、故障率高、焊接效率低、焊接质量不稳定。
（3）为了保护U肋内部油漆防止服役工程中内部生锈，在距U肋端部400 mm处安装隔板，隔板在U肋焊接到顶/底板前已组装完成，所以将影响到内部设备无法正常焊接。若要实现内部焊接，需在U肋焊接到顶/底板后再安装U肋内隔板（见图7），并且内隔板需开设过焊孔。所以采用双面工艺将会与目前桥梁U肋制造方案相冲突，对此双面焊接工艺对U肋全熔透焊接研究来说并非是最理想的工艺方案。
（4）对以上两方案存在的缺点，项目组重点调研了2家焊接设备，雷姆公司的聚弧脉冲深熔焊焊机，由于该焊机具有的聚弧脉冲功能能够使焊接电弧具有高度的聚焦和强劲的穿透力，焊接过程中焊接电弧始终稳定在坡口根部，使得根部母材完全熔化并在内部形成焊脚。该焊接工艺避免了内部焊接烦琐复杂、焊接稳定性差的缺点，仅采用外侧焊接就可实现8 mmU肋的单面焊双面成型，焊接过程简单方便、设备稳定可靠、生产效率高效，若实现自动化焊接，对钢桥梁制造水平将是极大提升，同时节约一定生产成本。
综合考虑3种焊接设备的优缺点之后，项目组决定采用雷姆公司的MEGA.FOCUS500聚弧脉冲深熔焊焊机，作为该项目的理想焊接设备，并针对8 mmU肋角焊缝全熔透焊接进行了多组焊接工艺试验。主要研究了焊接材料、坡口角度、焊接工艺参数等重要焊接参数对焊缝成型质量的影响。
3 结语
U肋是大型板式钢结构尤其是钢桥梁中的重要受力构件，其与桥面板之间的纵向焊缝的抗疲劳性能关系到整个桥梁的使用寿命。笔者所在公司针对U肋与顶/底板角焊缝易出现疲劳裂纹这一工程情况，经过深入分析研究、广泛考察调研，分析认为可通过双面焊焊接工艺和单面焊双面成型焊接工艺两方法解决，并全面调研了YS-1DT6箱管焊机、微型焊接小车和聚弧脉冲深熔焊焊机3种焊接设备及方案，分析研究认为深熔焊可作为解决这一工程现象的理想方案。
笔者所在公司通过不断优化焊接工艺试验方案，最终成功实现8 mmU肋角焊缝的全熔透焊接，将U肋角焊缝从部分熔透转化为全熔透，提高了焊缝质量、改善了U肋的受力特性、提升了桥梁的使用寿命。但是该焊接工艺仍然存在诸多问题，尤其是焊接自动化方面还不能达到先进制造企业水平，高效的自动化焊接应用还是空白，仍然需要研究人员不断探索。
参考文献
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