Full Penetration Welding Test of U-rib Plate Unit without Tack Welding

U肋板单元免定位焊双面埋弧全熔透焊接工艺试验 Full Penetration Welding Test of U-rib Plate Unit without Tack Welding first-author 范军旗（1980—），男，学士，高级工程师，主要从事桥梁钢结构焊接试验研究、焊接工艺制定等技术工作。 范军旗（1980—），男，学士，高级工程师，主要从事桥梁钢结构焊接试验研究、焊接工艺制定等技术工作。 中铁山桥集团有限公司，河北 秦皇岛 066205 中铁山桥集团有限公司，河北 秦皇岛 066205 China Railway Shanhaiguan Bridge Group Co.,Ltd.，Qinhuangdao 066205, China China Railway Shanhaiguan Bridge Group Co.,Ltd.，Qinhuangdao 066205, China 为消除定位焊缝对焊接质量的不利影响，提高U肋角焊缝的焊接质量，研制了组装焊接一体化专用设备，进行了U肋内侧角焊缝焊接试验，对比分析U肋内侧气体保护焊和埋弧焊的优缺点，重点解决了埋弧焊的焊剂下料不畅和焊缝成形不良问题，制定了U肋板单元免定位焊埋弧焊全熔透焊接工艺，通过足尺寸板单元焊接试验检验其可行性。结果表明：采用研制的专用设备和试验确定的焊接工艺可以实现免定位焊情况下的U肋角焊缝全熔透焊接，焊缝质量满足相关标准要求；控制U肋压制的尺寸偏差是实现免定位组装焊接的必要条件。 In order to eliminate the adverse effects of tack welds on the welding quality and improve the welding quality of U-rib fillet welds, a special equipment integrating assembly and welding has been developed, and the welding tests of U-rib inner fillet welds have been carried out. The advantages and disadvantages of gas shielded welding and submerged arc welding for U-rib inner side have been compared and analyzed, and the problems of unsmooth flux blanking and poor weld formation for submerged arc welding have been emphatically solved. The full penetration welding process of U-ribbed plate element without tack welding is formulated, and its feasibility is verified by welding test of full size plate element. The results show that the full penetration welding of U-rib fillet weld without tack welding can be realized by using the special equipment developed and the welding process determined by the test, and the weld quality meets the requirements of relevant standards; it is necessary to control the size deviation of U rib pressing to realize positioning free assembly welding. U肋板 单元组装 免定位焊 埋弧焊 全熔透 U-rib assembly no tack welding submerged arc weld full penetration 前言 1 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 1 - 3 3 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 2 ］ 、张芹 ［ 4 4 ］ 、蒋波 ［ 5 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 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 7 ］ 、张华 ［ 8 8 ］ 、周宇琦 ［ 9 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。 组焊一体化关键设备 1 研制了一台U肋板单元组焊一体化专用机床（见 图1 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。 （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。 U 肋角焊缝焊接试验 1 U 肋内侧角焊缝 2 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380~420 A，电压30~34 V，焊速400 mm/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。 U 肋外侧角焊缝 2 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3.2 mm）+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 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 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 图2 ）显示焊缝熔合良好。 熔敷简图 U肋厚/mm 焊道 焊接材料 电流/A 电压/V 焊速/（cm·min -1 ） 2 http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=39046582&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=39046589&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=39046585&type= 50.53499985 28.30999947 2 8 1 CJQ-3（ http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=39046591&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=39046598&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=39046595&type= 1.69183350 1.87832642 1.6）+SJ501U 400±30 32±3 40±4 2 H10Mn2（ http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=39046601&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=39046608&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=39046604&type= 1.69183350 1.87832642 3.2）+SJ101q 650±30 32±3 42±4 2 编号 2 材质 2 板厚组合/mm 3 焊缝金属拉伸 3 硬度/HV10 R eL /MPa R m /MPa A /% 焊缝金属 热影响区 母材 S1 Q345qD 16+8 395 506 31 178~231 188~220 176~226 S2 Q345qD 16+8 442 523 26 175~221 190~224 178~216 3 标准值 ≥345 ≥490 ≥20 3 ≤350 免定位焊组装焊接试验 1 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。 结论 1 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。 参考文献 杨仕力 ， 施洲 . 我国大跨径钢箱梁桥正交异性板疲劳损伤研究现状 ［J］. 桥梁建设 ， 2017 ， 47 （ 4 ）： 60 - 65 ． 我国大跨径钢箱梁桥正交异性板疲劳损伤研究现状 YANG S L ， SHI Z . Current research of fatigue damage in orthotropic deck plates of long span steel box girder bridges in China ［J］. Bridge Construction ， 2017 ， 47 （ 4 ）： 60 - 65 . Current research of fatigue damage in orthotropic deck plates of long span steel box girder bridges in China 王春生 ， 付炳宁 ， 张芹 ， 等 . 正交异性钢桥面板足尺疲劳试验 ［J］. 中国公路学报 ， 2013 ， 26 （ 2 ）： 69 - 76 ． 正交异性钢桥面板足尺疲劳试验 WANG C S ， FU B N ， ZHANG Q ， et al . Fatigue Test on Full-scale Orthotropic Steel Bridge Deck ［J］. China Journal of Highway and Transport ， 2013 ， 26 （ 2 ）： 69 - 76 . Fatigue Test on Full-scale Orthotropic Steel Bridge Deck 周建林 ， 刘晓光 ， 张玉玲 . 苏通大桥钢箱梁桥面板关键构造细节疲劳试验 ［J］. 桥梁建设 ， 2007 （ 4 ）： 17 - 20 ． 苏通大桥钢箱梁桥面板关键构造细节疲劳试验 ZHOU J L ， LIU X G ， ZHANG Y L . Fatigue test of key structural details of steel box girder deck of Sutong Bridge ［J］. Bridge construction ， 2007 （ 4 ）： 17 - 20 ． Fatigue test of key structural details of steel box girder deck of Sutong Bridge 张芹 . 正交异性钢桥面板疲劳性能试验研究 ［D］. 陕西 ： 长安大学 ， 2010 . 正交异性钢桥面板疲劳性能试验研究 ZHANG Q . Experimental study on fatigue performance of orthotropic steel bridge decks ［D］. Shanxi ： Chang'an University ， 2010 . Experimental study on fatigue performance of orthotropic steel bridge decks 蒋波 ， 吴俊 ， 李迪 ， 等 . 顶板厚度对钢桥面板焊缝疲劳强度的影响 ［J］. 交通科学与工程 ， 2015 ， 31 （ 4 ）： 49 - 54 . 顶板厚度对钢桥面板焊缝疲劳强度的影响 JIANG B ， WU J ， LI D ， et al . Effect of roof thickness on weld fatigue strength of steel bridge deck ［J］. Transportation Science and Engineering ， 2015 ， 31 （ 4 ）： 49 - 54 . Effect of roof thickness on weld fatigue strength of steel bridge deck 马宇平 . 正交异性板U肋与面板焊缝熔透率对该纵向连接焊缝影响的疲劳试验研究 ［J］. 广东建材 ， 2016 ， 32 （ 06 ）： 48 - 51 . 正交异性板U肋与面板焊缝熔透率对该纵向连接焊缝影响的疲劳试验研究 MA Y P . Fatigue experimental study on the effect of penetration of weld between orthotropic deck u-rib and panel on the longitudinal joining Seam ［J］. Guangdong building materials ， 2016 ， 32 （ 06 ） ： 48 - 51 . Fatigue experimental study on the effect of penetration of weld between orthotropic deck u-rib and panel on the longitudinal joining Seam 徐向军 ， 贝玉成 ， 范军旗 ， 等 . 桥梁钢结构焊接装备应用现状与发展 ［J］. 金属加工（热加工） ， 2019 （ 01 ）： 14 - 17 ． 桥梁钢结构焊接装备应用现状与发展 XU X J ， BEI Y C ， FAN J Q ， et al . Application status and development of welding equipment for bridge steel structure ［J］. Metal Working （Hot Working） ， 2019 （ 01 ）： 14 - 17 ． Application status and development of welding equipment for bridge steel structure 张华 ， 孙雅洲 ， 舒先庆 ， 等 ， 正交异性钢桥面板U肋内焊技术 ［J］. 公路 ， 2018 ， 63 （ 09 ）： 115 - 120 ． 公路 ZHANG H ， SUN Y Z ， SHU X Q ， et al . U-rib internal welding technique for orthotropic steel bridge decks ［J］. Highways ， 2018 ， 63 （ 09 ）： 115 - 120 . U-rib internal welding technique for orthotropic steel bridge decks 周宇琦 ， 岳雪姣 ， 闫晨 . 安海湾特大桥主桥钢箱梁U肋内焊技术分析 ［J］. 工程技术研究 ， 2020 ， 5 （ 19 ）： 81 - 82 ． 安海湾特大桥主桥钢箱梁U肋内焊技术分析 ZHOU Y Q ， YUE X J ， YAN C . Analysis of u-rib internal welding technology for steel box girder of Main Bridge of Anhai Bay Bridge ［J］. Engineering research ， 2020 ， 5 （ 19 ）： 81 - 82 . Analysis of u-rib internal welding technology for steel box girder of Main Bridge of Anhai Bay Bridge 编辑部网址： http：//www.71dhj.com http://www.71dhj.com 编辑部网址： 10.7512/j.issn.1001-2303.2022.12.13 TG445 A 1001-2303（2022）12-0103-05 范军旗，刘万里，王杰.U肋板单元免定位焊双面埋弧全熔透焊接工艺试验［J］.电焊机，2022，52（12）：103-107. 范军旗，刘万里，王杰.U肋板单元免定位焊双面埋弧全熔透焊接工艺试验［J］.电焊机，2022，52（12）：103-107. FAN Junqi, LIU Wanli, WANG Jie.Full Penetration Welding Test of U-rib Plate Unit without Tack Welding[J].Electric Welding Machine, 2022, 52(12): 103-107. FAN Junqi, LIU Wanli, WANG Jie.Full Penetration Welding Test of U-rib Plate Unit without Tack Welding[J].Electric Welding Machine, 2022, 52(12): 103-107. 2022-04-21 2022-12-20 2023-01-18 电焊机 12 52