U肋板单元免定位焊双面埋弧全熔透焊接工艺试验
时间：2023-02-27 12:30:06 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
范军旗，刘万里，王 杰
中铁山桥集团有限公司，河北 秦皇岛 066205
正交异性桥面板由钢结构面板以及与其焊接的横梁、纵肋构成，纵肋主要为U型肋结构，能够提供较大的抗扭刚度和抗弯刚度，改善整个桥面板的受力状态。U肋正交异性桥面板结构是钢箱梁桥最常见的结构形式，具有质量轻、承载能力强、经济性好等特点，目前已经广泛应用于大、中、小型桥梁建设[1-3]。常规的U肋正交异性板单元焊接生产主要分为组装定位和焊接两个工序。定位焊的存在增加了焊缝质量的波动性，尤其在起弧、熄弧位置容易产生气孔和弧坑裂纹缺陷，成为潜在的裂纹源。桥梁运营过程中，在车辆集中载荷的作用下容易出现疲劳裂纹，并迅速扩展，影响钢桥的使用寿命和运行安全。为提高钢桥正交异性桥面板的抗疲劳性能，王春生[2]、张芹[4]、蒋波[5]等研究认为增加桥面板厚度可以提高疲劳强度，马宇平[6]通过模型试验和有限元分析认为增加U肋与面板间角焊缝的熔透率可以改善桥面板的疲劳性能；
徐向军[7]、张华[8]、周宇琦[9]等应用U肋内侧角焊缝专用焊接设备实现了U肋角焊缝双面焊接，提高了焊缝的疲劳强度，但没有改变组装和焊接分开的生产模式，没有消除定位焊对焊接质量的不利影响，并且由于增加了一道U肋内侧焊接工序，降低了生产效率。
本文通过U肋板单元免定位焊全熔透焊接试验，用内侧角焊缝取代定位焊，取消定位焊工序，消除定位焊缝的不利影响，结合U肋板单元外侧船位埋弧焊工艺，实现了U肋角焊缝全熔透焊接，提高了焊接质量和生产效率。
研制了一台U肋板单元组焊一体化专用机床（见图1），集U肋面板打磨、U肋组装、内侧角焊缝焊接、外侧角焊缝焊接等功能为一体，可实现在行走状态下将U肋与面板定位、压紧，同时进行内侧角焊缝的焊接。
图1 U肋组焊一体化专机示意Fig.1 Schematic diagram of U-rib assembling and welding integrated special machine
（1）面板打磨系统。12组打磨机构同时对面板进行打磨，提高工作效率。烟尘净化装置自动吸收打磨产生的粉尘，避免环境污染。用改进的千叶轮取代钢丝轮进行打磨，克服钢丝轮打磨压力大、易烧损电机、打磨效果差、钢丝易弯曲折断等问题，实现高效、高质量的打磨，彻底清除焊接部位的有害物，使打磨面露出明亮的金属光泽。
（2）U肋组装系统。设计了可调整间距与尺寸的U肋连续定位、压紧装置，实现行走状态下对U肋进行组装。其内撑装置与内焊系统结合，可根据U肋尺寸手动调整其位置和宽度。工作时内撑装置的滚轮与U肋内表面接触，起到连续内撑作用。外压装置的侧轮可控制U肋张口和间距，上方压紧轮对U肋上表面施加压力，使U肋与面板密贴，其结构对U肋肢高偏差有一定的纠偏能力，避免因组装间隙过大影响焊接质量。
（3）U肋内侧角焊缝焊接系统。该系统由行走龙门、伸缩臂装置、支撑平台、焊接机头、送丝装置、气保焊电源、冷却水箱、烟尘净化系统、工件定位装置、焊接平台等组成，可实现6根U肋内部两侧同时焊接。包括气体保护焊和埋弧焊2套焊接装置，可根据情况采用不同方法焊接；
配置了4组螺旋升降装置，可根据工件面板厚度变化，调整伸缩臂装置的高度，使其与工件高度一致；
伸缩臂与行走机床之间的连接装置可根据U肋数量变化进行快速安装或拆卸，保证伸缩臂的数量与板单元U肋的数量一致。
（4）U肋外侧角焊缝焊接系统。为了实现U肋角焊缝全熔透焊接，同时提高焊缝外观质量，外侧角焊缝采用U肋板单元船位埋弧自动焊专机焊接。专机配置6套焊臂装置、船位反变形胎架、焊剂回收装置和焊缝跟踪装置等，可以实现12把气保焊枪同时对6条U肋进行船位埋弧焊，自动跟踪焊缝，自动回收焊剂。外侧焊接机头前端安装有传感式焊缝跟踪装置，传感器探头沿工件滑动实现跟踪，不受焊接电弧的干扰，具有初始自动寻找焊缝、焊缝末端定位探测、换向跟踪、强制跟踪等多种功能。
2.1 U肋内侧角焊缝
制作试件分别采用富氩气体保护焊和埋弧焊进行U肋内侧角焊缝焊接试验。试件材质为Q345qD，面板长度1 000 mm，宽度400 mm，厚度18 mm；
面板上组装1根U肋，U肋长1 000 mm，上口宽180 mm，下口宽300 mm，高度300 mm，板厚8 mm。试件装配间隙控制在0.5 mm以内。气体保护焊试件坡口角度51°，钝边尺寸2 mm，焊接电流280 ～300 A，电压32 ～34 V，焊速380 mm/min，焊枪与面板角度为40°，焊丝干伸长15 ～20 mm；
埋弧焊试件不开坡口，焊接电流380 ～420A，电压30 ～34V，焊速400mm/min，焊枪与面板角度为40度，焊丝干伸长15 ～20 mm。
富氩气体保护焊容易实现保护气体的长距离输送，具有焊缝成形好，焊接飞溅小、焊缝力学性能优良的特点，但其对焊缝区域的铁锈、底漆等较为敏感，打磨不彻底时容易出现焊接电弧不稳定、焊缝成形变差、气孔缺陷等问题。由于是明弧焊接，焊接机头部位温度高，保护气体及压缩空气管道防护不好会漏气，造成保护中断或失效。富氩气体保护焊对设备稳定性要求较高，焊前需要较长时间检查准备。另外，富氩气体保护焊焊接U肋内侧角焊缝时，焊缝熔深较浅，一般不会超过2 mm，进行U肋角焊缝全熔透焊接时质量控制的难度较大。
埋弧焊采用焊剂保护，受外界环境干扰较小，焊接过程稳定，焊缝力学性能优良。焊接时周围区域温度低，对设备的损害小。其熔深大、熔宽大的特点有利于实现U肋角焊缝的全熔透焊接。但在U肋内侧的狭小空间内，焊剂输送困难、焊后熔渣难以清理，是埋弧焊必须解决的问题。为了达到U肋角焊缝全熔透的目的，选择焊接材料为CJQ-3焊丝（直径1.6 mm）+SJ501U焊剂。焊丝直径小，能量密度大，可以增加熔深，焊剂脱渣性能好，焊后自然脱落，无需在U肋内侧清渣。
埋弧焊试验过程中遇到的主要问题：（1）焊剂铺洒高度不够、铺洒过程中时断时续，造成弧光泄露，出现气孔缺陷。经过排查，原因是焊剂料斗设计不合理，存在出料口的高度不够、出料量过小、料斗尺寸与U肋尺寸不匹配、焊接过程中料斗变形等问题，对焊剂料斗进行改进后问题得到了解决。（2）多把焊枪同时焊接，出现个别焊缝成形不良、焊缝余高过大、焊缝不饱满，焊脚尺寸过小，焊趾过渡不匀顺等，通过采取更改焊接电源设置、调整地线连接方式、调整焊接规范参数、排查送丝系统等措施后，问题得到了解决。
试验总结出U肋内侧角焊缝埋弧焊的特点：（1）焊接电流与焊缝熔深关系较大，焊接电流在380 ～420 A时较为稳定，熔透深度可达3 mm以上，最大电流不宜超过450 A，否则容易焊漏。（2）焊接电压对焊缝外观成形影响大，电压31 ～33 V较为合适，但不能仅根据电源显示数值判断实际电压，二次线过长、地线接触不良均会造成压降过大，需要根据焊缝成形进行调整。（3）焊枪与面板之间的角度较小时可以增加熔透深度，单角度过小时容易造成焊缝底板侧未熔合、U肋侧与面板侧焊角尺寸偏差大的问题，焊枪与面板之间角度应以40°左右为宜。（4）焊枪正对焊缝根部有利于增加焊缝熔透深度，焊丝尖端离开U肋一定距离有利于改善焊缝成形，应根据电流、电压和具体施焊情况进行调整。（5）U肋与面板之间的间隙对焊接稳定性影响较大，U肋与面板密贴，在电流较大的情况下也不会焊漏，间隙较大易焊漏，还容易出现根部气孔缺陷。
2.2 U肋外侧角焊缝
U肋外侧角焊缝采用U肋板单元外侧船位埋弧焊专机焊接，焊接材料为H10Mn2焊丝（直径3.2mm）+SJ101q焊剂，焊接电流630 ～660 A，电压30 ～34 V，焊速420 mm/min，焊枪与面板之间角度为40°，焊丝干伸长20 ～25 mm。试验过程中发现焊枪角度和对阵的位置对焊缝质量影响很大，焊丝偏向U肋时由于U肋板薄，容易造成焊漏，焊丝偏向面板时，焊缝有效熔深小，容易出现未熔透缺陷，因此焊前必须仔细调整焊枪角度为40°±3°，焊枪位置须正对组装间隙，并检查焊缝跟踪装置，确保跟踪功能正常，防止焊接过程中跑偏。
通过试验制定了U肋角焊缝双面埋弧全熔透焊接规范参数如表1所示，焊接尺寸为6 m×3.6 m的模拟板单元，并进行焊缝外观质量检查和超声波相控阵探伤，焊缝表面光洁，焊趾处过渡平顺，无咬边缺陷，焊缝内部无未熔透、夹渣等缺陷。抽取两条焊缝进行力学性能试验，采用微机控制电子拉伸试验机，按照标准GB/T 2652—2008进行焊缝金属拉伸试验，接头硬度试验采用数显维氏硬度计，按照标准GB/T 226—2015、GB 4340.1—2009进行，测定方式为标线测定，载荷10 kg。试验结果见表2，焊缝的屈服强度和抗拉强度均高于母材标准值，接头硬度不超过350 HV10，满足标准要求，断面照片（见图2）显示焊缝熔合良好。
表1 焊接规范参数Table 1 Welding specification parameters
表2 力学性能试验结果Table 2 Mechanical property test results
图2 接头断面照片Fig.2 Photo of joint section
模拟生产状态进行免定位焊组装焊接试验，试验件长度10 m，包含6条U肋。组焊前测量U肋的尺寸，组焊后测量U肋张口尺寸和中心距，对焊缝进行外观检查和相控阵超声波探伤，工艺步骤如下：
（1）面板上料、定位与压紧。面板的平面度和位置偏差对组装后的构件尺寸影响很大，钢板下料前进行赶平处理提高面板平面度，组装前用卡具将面板卡固在平台上，平台侧面设置挡块，使面板与组装台车轨道平行。
（2）面板打磨。采用打磨系统对面板上焊接位置进行自动打磨，12条焊缝同时打磨，速度可达到1.5 m/min，打磨部位边缘平齐、表面光滑有金属光泽，效果良好。
（3）吊装U肋。在面板上画组装线，将U肋逐根吊装到面板上，调整U肋位置，纵向使U肋上的横基线与面板横基线精确对齐，横向使U肋与面板上的组装线大致对齐。
（4）U肋组装系统调整。调整组装系统外压装置的位置和间距，使U肋张口尺寸和中心距满足图纸要求。
（5）内焊系统就位。粗略调整内焊系统机头跟踪装置、内撑装置及焊剂料斗的位置和尺寸，使内焊机头能进入U肋，添加焊剂后将内焊机头移动到板单元焊接起弧端。
（6）内焊机头调整。精确调整内撑装置的尺寸和位置，调整焊接跟踪装置到合适的位置，调整焊枪的角度、干伸长和焊丝对准的位置。
（7）组装与焊接。调整内焊系统和组装系统的相对位置，将内焊和组装的行走机构设置为等速联动，开始连续组装焊接（见图3）。
图3 组焊一体化实施Fig.3 Integrated implementation of assembling and welding
组装焊接一体化试验主要检验组装与焊接的配合实施。为了精确控制U肋的张口和间距，组装系统设有外压装置和内撑装置，内撑装置和焊接机头集成在一起，组焊前必须确定焊接机头和外压装置的相对位置，行走过程中，内外侧机构行走速度必须保持一致。U肋张口尺寸偏小时，内撑装置须将U肋撑开，张口偏大时将U肋收紧，同时将U肋压紧在面板上，焊接机构紧随其后，保持合适的距离，将U肋和面板焊接在一起。
常规先定位再焊接的U肋板单元焊接工艺，由于定位焊和非定位焊处的初始状态不同，焊后定位焊处焊缝明显高于非定位焊处，影响焊缝外观，对焊缝进行无损检测，容易在定位焊处发现未熔透和气孔缺陷。组焊一体化焊接没有定位焊缝，消除了以上问题，焊缝全长外观均匀一致，质量更加稳定，内部缺陷降低70%以上。
实施过程中的难点：一是内撑装置与外压装置之间的配合，内撑装置必须有足够的刚度能将U肋撑开，内撑轮不能损坏，其尺寸和位置必须随着外压装置的尺寸和位置的变化做出调整；
二是压紧机构将U肋与面板压紧时，两者之间的摩擦力增大，增加了外压装置纠正U肋位置偏差所需力矩，需要调整机构的压紧力，既能将U肋与面板压紧，又不影响外压装置纠偏；
三是焊接与内撑装置的配合，焊接机构、焊剂料斗及内撑装置都在U肋内侧，为了实现各自的功能，必须确保它们与U肋之间的相对位置，要求调整到位，互相之间不会干扰。
试验过程中发现焊后个别U肋中心距和组装间隙超差（＞1 mm），原因是U肋压制的形状尺寸偏差过大，超出设备的纠偏能力，说明控制U肋制作的尺寸偏差是实现组焊一体化的必要条件，因此对U肋的尺寸偏差进行重点控制，张口宽度偏差-1.0 ～2.0 mm，旁弯≤L/2 000（L为U肋长度）且不超过5.0 mm，两肢高差≤2 mm。控制U肋尺寸偏差后再次试验，U肋中心距和组装间隙超差问题得到解决。
研究验证了U肋板单元组焊一体化专用机床的各项功能，确定了U肋角焊缝双面埋弧全熔透焊接规范参数，制定了免定位焊组装焊接工艺步骤，并得出以下结论：
（1）采用U肋板单元组焊一体化专用机床，使用双面埋弧焊工艺，可以实现免定位焊情况下U肋角焊缝全熔透焊接，焊缝外观和力学性能均满足相关标准要求。
（2）控制U肋的尺寸偏差是实现组焊一体化的必要条件，U肋的上口宽度偏差-1.0 ～2.0 mm，旁弯≤L/2 000（L为U肋长度）且不超过5.0 mm，两肢高差≤2 mm时，能够满足组焊一体化的使用要求。
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