钢桥梁正交异性桥面板U肋焊接工艺研发与探讨

薛长利，张建国，孙卫国，杨大伟

中铁宝桥集团有限公司 陕西宝鸡 721006

1 序言

钢桥梁是设计使用寿命百年以上的公共建筑，正交异性桥面是众多钢结构桥梁的重要组成部分，钢桥面板与U肋焊缝属典型的承力焊缝，质量要求严格[1，2]。其中，U肋根部裂纹广受关注，该类裂纹一旦萌生，很可能向桥面板发展形成贯通裂纹，不仅影响行车安全，而且返修十分困难。

U肋与面板焊接接头的焊接方式主要采用部分熔透角焊缝，即未熔透焊。TB 10091—2017《铁路桥梁钢结构设计规范》和JTGD 64—2015《公路钢结构桥梁设计规范》要求U肋采用单面焊接且熔深为不小于U肋板厚的75%；日本钢桥疲劳设计指南同样要求确保U肋板厚75%以上的熔透量；美国AASHTO 规范规定熔透深度不小于U肋板厚的80%。

2000年以后，我国桥梁工程正交异性桥面U肋焊接熔深要求均为U肋板厚的75%～80%，例如郑新黄河公铁两用桥、泰州长江公路大桥、南沙大桥等重大项目均被采用。近几年，随着桥梁装备制造业的发展，又推出了桥面U肋角焊缝全熔透焊接技术，即在U肋内、外侧施焊，使U肋与桥面板之间焊缝熔透。该技术已在深圳至中山跨江通道工程、连镇铁路五峰山长江大桥、武穴长江大桥等项目中采用。

2 U肋焊接工艺研发

伴随设计要求和科技水平的发展，工程师对正交异性U肋焊接工艺研究一直未停止过，通过试验和施工，开发了一系列U肋焊接工艺。

2.1 药芯焊丝CO2气体保护焊

（1）横位焊接工艺 20世纪90年代初，虎门大桥开始建造，正交异性桥面板单元制造无相应的标准和经验可遵循，设计对U肋焊接熔深没有要求，仅对U肋提出了一些外观上的要求[3]。针对这些技术要求，制造厂制定了金属粉型CO2气体保护焊丝横位焊接工艺。

虎门大桥U肋厚度为8mm，按照当时技术，虽然国内无法自己压制U肋，但日本进口的U肋坡口为33°，且大小不一，需制造厂二次加工到45°，不留钝边，如图1所示。

图1 虎门大桥U肋坡口

虎门大桥U肋焊接采用金属粉型药芯焊丝（型号MX-200、φ1.6mm）横位CO2气体保护焊工艺，焊接两道，焊丝干伸长为20～25mm，气体流量为25L/min。虎门大桥U肋焊接参数见表1。

表1 虎门大桥U肋焊接参数

第一道焊丝起弧点距U肋内侧边向外1～1.5mm处，焊枪与桥面板夹角为35°±2°， 虎门大桥U肋焊接焊枪位置如图2所示。

图2 虎门大桥U肋焊接焊枪位置

由于虎门大桥对U肋熔深没有要求，仅对U肋焊缝外观进行检验和验收，所以随着经济的发展，物流节奏加快，超载现象严重，疲劳导致虎门大桥U肋角焊缝开裂，给后续运营带来安全隐患。

（2）船位焊接工艺 由于虎门大桥U肋角焊缝开裂，桥梁设计和科研单位开始对正交异性桥面板进行抗疲劳性研究，得出结论：U肋熔深不得小于U肋板厚的75%～80%，且不得焊漏。为此，国内各制造厂也开展了U肋焊接工艺的开发，提出了船位焊接工艺更能保证焊缝外观质量，于是设计U肋焊接专用船型胎，采用药芯焊丝CO2气体保护焊配跟踪小车焊接。板厚为8mm的U肋焊缝，采用φ1.6mm焊丝一道焊接完成，φ1.2mm焊丝两道焊接完成，均要求在30°船位状态下焊接。这两种焊接工艺在郑新黄河桥、苏通长江大桥、舟山西堠门长江大桥等国家重点项目上运用，具体工艺及措施如下。

U肋坡口与桥面板的夹角为50°～55°，预留1～2mm钝边，如图3所示。

图3 船位焊接U肋坡口

采用药芯焊丝为E 5 0 1 T-1，焊丝干伸长为20～25mm，气体流量25L/min。药芯焊丝船位焊接U肋工艺参数见表2。

表2 药芯焊丝船位焊接U肋工艺参数

U肋焊缝需在焊接专用胎架上30°（桥面板与水平面夹角）船位焊接，U肋船位焊接示意如图4所示。

图4 U肋船位焊接示意

为了验证工艺是否满足要求，对焊缝进行宏观断面检测熔深。焊缝熔深基本能满足U肋板厚的75%～80%且不焊漏要求，但是焊缝根部容易出现空洞现象，药芯焊丝船位焊接U肋焊缝宏观金相如图5所示。

图5 药芯焊丝船位焊接U肋焊缝宏观金相

从宏观金相来看，虽然两种焊接工艺基本满足要求，但还是有焊缝根部出现未熔合的小瑕疵，这是因为药芯焊丝自身的焊接熔深小，不足以把焊缝钝边熔化。

2.2 实芯焊丝混合气体保护焊

由于药芯焊丝熔深小的特点，所以焊丝指向焊缝根部会出现焊漏现象，偏离根部则会出现不能与根部熔合。利用实芯焊丝自身焊接熔深较大的特点，制造厂开发了实芯焊丝气体保护焊工艺。但实芯焊丝采用CO2气体保护时飞溅较多，焊缝表面清理困难，另外焊接飞溅容易堵喷嘴出口，焊接过程得不到CO2气体保护容易出现表面气孔或断弧现象，造成焊接接头较多。

采用实芯焊丝富氩混合气体（体积比为80%Ar+20% CO2）保护焊，飞溅小，且船位焊接U肋焊缝比药芯焊丝CO2气体保护焊更容易保证根部熔合良好，此工艺在马鞍山长江公路大桥、南京长江四桥等项目上得到应用。

实芯焊丝混合气体焊接U肋焊缝工艺如下。

U肋坡口与药芯焊丝CO2气体保护焊船位焊接坡口一致。φ1.6mm实芯焊丝ER50-6一道焊接完成，焊丝干伸长为20～25mm，气体流量为25L/min。实芯焊丝船位焊接U肋工艺参数见表3。

表3 实芯焊丝船位焊接U肋工艺参数

实芯焊丝混合气体（体积比为80%A r+20%CO2）船位焊接U肋的工艺措施与药芯焊丝CO2气体保护焊船位焊接U肋相同。

对U肋焊缝进行宏观断面检测熔深，焊缝熔深基本接近熔透，能满足设计要求达到U肋板厚75%～80%熔透率，但是在焊接过程中焊丝的角度控制不好的情况下，非常容易出现焊漏现象。实芯焊丝混合气体保护焊船位U肋焊缝宏观金相如图6所示。

图6 实芯焊丝混合气体U肋焊缝宏观金相

2.3 双丝混合焊

虽然上述两种U肋焊接工艺均能满足U肋焊缝设计要求，但是在施工过程中对工艺措施要求非常苛刻，过程管控比较困难。针对这些难点，制造厂研发出一种U肋双丝焊接专机，即一个机械臂上两套送丝（分为前丝和后丝）系统，呈前后位置布置，两套供气系统。U肋双丝焊接专机如图7所示。

图7 U肋双丝焊接专机

前丝采用实芯焊丝混合气体（体积比为80%Ar+20% CO2）焊接，后丝为药芯焊丝CO2气体保护焊焊接，此工艺已经在南沙大桥、深中通道等项目中运用。具体工艺如下。

U肋坡口与药芯焊丝CO2气体保护焊船位焊接坡口一致。焊丝干伸长和气体流量与药芯焊丝CO2气体保护焊船位焊接工艺要求一致，前丝实芯焊丝直径为1.2mm，后丝药芯焊丝直径为1.6mm，采用横位焊接。混合双丝焊接U肋工艺参数见表4。

表4 混合双丝焊接U肋工艺参数

U肋焊缝需在焊接专用胎架上横位焊接，前（后）丝焊枪与水平面夹角为43°，前丝起弧点距U肋内侧边向外2～4mm处，U肋双丝焊接如图8所示。

图8 U肋双丝焊接

对U肋焊缝进行宏观断面检测熔深，焊缝熔深能满足设计要求大于U肋板厚75%～80%熔透率，且没有焊漏的现象，焊缝表面没有飞溅。前丝主要是利用实芯焊丝焊接熔深较大的特点，保证了坡口根部的熔合，横位焊接减少了焊漏现象的发生；后丝是利用药芯焊丝飞溅小的特点，保证了焊缝表面成形。控制措施要求不是很严格，焊丝焊枪的夹角可在8°范围内调整，前丝起弧点可在2mm范围内调整。双丝混合焊U肋焊缝宏观金相如图9所示。

图9 双丝混合焊U肋焊缝宏观金相

2.4 U肋熔透焊

随着桥梁装备制造业的发展，近几年又研发了U肋内角焊专机，随之正交异性桥面板U肋焊缝要求熔透。U肋熔透角焊缝焊接工艺分为内焊、外焊两部分，均采用埋弧焊的焊接工艺（也有内焊采用药芯焊丝CO2气体保护焊焊接），并且U肋无需加工坡口， U肋熔透焊接设备如图10所示。

图10 U肋熔透焊接设备

U肋熔透焊操作方法：首先，使用内焊机采用横位在U肋内侧焊接K6mm的贴角焊缝，并形成一个较大的熔深，然后用外焊机采用35°船位在U肋外侧焊接确保熔透，内焊和外焊分别使用φ1.6mm和φ3.2mm埋弧焊丝（也有内焊使用药芯焊丝）焊接。采用U肋熔透焊接的项目有五峰山长江大桥、武穴长江大桥、深中通道等项目。U肋熔透焊接顺序如图11所示，焊接参数见表5。

表5 U肋熔透焊接参数

图11 U肋熔透焊接顺序

为了保证U肋内焊质量，要求焊丝对准U肋焊缝中心，起弧后一次性焊接完成，焊接过程中不得熄弧，否则无法实现连续焊接。

从宏观金相来看，确实保证了U肋熔透要求，U肋熔透焊缝宏观金相如图12所示。

图12 U肋熔透焊缝宏观金相

正交异性桥面U肋内焊技术的运用，提高了中国钢桥梁制造水平。需要注意的是内焊专机要有很高的稳定性，否则不能保证焊缝质量。

3 焊接工艺及措施

虎门大桥桥面疲劳致使U肋焊缝开裂是一个很复杂的过程，由设计、制造及后续运营管理等很多原因造成。

1）药芯焊丝船位焊工艺充分考虑了设计要求达到U肋板厚75%～80%熔透率，此工艺基本能满足设计要求。由于药芯焊丝熔深较小的特点，所以容易产生坡口根部未熔合现象。另外，工艺措施要求苛刻，若使用此工艺施焊，就对操作人员、检验人员的操作水平及责任心提出了较高要求。

2）实芯焊丝混合气体保护焊单道焊接工艺也充分考虑了设计要求达到U肋板厚75%～80%熔透率，此工艺利用实芯焊丝熔深较大的特点，制定合理的工艺，采用船位焊完全能保证焊缝熔透率，但是很容易出现焊漏，很大程度导致根部裂纹的产生，为此解决焊漏问题成为控制U肋焊缝质量的重中之重。

3）双丝混合焊焊接U肋焊缝工艺，前丝解决了焊缝熔深问题，后丝解决了焊接飞溅问题，一旦工艺制定合理、焊丝位置调整到位，就可以解决焊缝熔深要求的难题，但是此工艺仅能在专用焊机上使用。

4）U肋内外焊熔透焊焊接工艺能满足U肋全熔透要求，工艺的关键在于内焊不得焊偏，要求内焊设备稳定性好，U肋内部焊缝一旦出现缺陷很难返修或根本无法返修，无法保证熔透。

总之，在上述几种成熟的焊接工艺中，不管采用何种方法焊接，U肋机加工和组装精度均需满足技术要求。

4 结束语

合理的焊接工艺可提高正交异性桥面结构抗疲劳性能，U肋熔深控制、焊缝外观质量满足要求也是提高抗疲劳性的一种措施。通过总结研发出的以上几种U肋焊接工艺，在实施过程中各有优缺点，得出以下结论。

1）采用药芯焊丝焊接，坡口根部容易产生未熔合。实芯焊丝船位单道焊对电弧燃烧位置要求极高，措施控制不合理容易出现焊漏现象。

2）双丝混合焊实芯焊丝保证了焊缝熔深，药芯焊丝保证了外观质量。

3）U肋内外埋弧焊能够实现熔透焊接，进一步提高了桥面板的焊接质量。