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看正文前，先看一段视频 01 疲劳问题 正交异性板结构以其重量轻、承载能力大、施工周期短等优点，在钢结构桥梁的建设中得到了广泛的应用，尤其是千米级的大跨径钢桥，其技术优势更加明显。但正交异性钢桥面板因局部轮载及结构细节应力集中影响，各类疲劳开裂问题突出，其中U肋与桥面板连接焊接接头处萌生的焊根裂纹及焊脚裂纹广受关注。该类裂纹一旦萌生，很可能向桥面板发展形成贯通裂纹，影响行车安全，且检测维护工作十分困难。 桥面U肋加劲属于闭口形式，常规技术只能从外侧单面施焊，U肋腹板板厚较薄，要保证不烧穿又有足够的焊缝熔深并非易事。此外，即使实现了75%～85%的部分熔透焊，留下15%～25%的未熔合部分（1～2mm）,当超载现象成为常态时，这1～2mm的未熔合部分应力集中，在车轮载荷反复作用下，面板与U肋焊缝处仍然容易产生疲劳裂纹。 02 U肋焊接工艺发展现状 目前国内对于板厚8mm以上的U肋，要求焊缝熔透率80%以上，普遍还是选用两道焊工艺进行焊接，其焊缝根部相对不易烧穿，熔深也容易得到有效控制。U肋角焊缝焊接用金属粉芯药芯焊丝取代普通药芯焊丝已形成共识，例如港珠澳大桥钢箱梁所有U肋角焊缝的焊接采用了金属粉芯药芯焊丝，包装方式也由容量200kg以上的桶装焊丝取代过去15kg的盘装焊丝。 为进一步提高U肋角焊缝的焊接效率，近年来开始应用双丝气体保护焊工艺，通过在门式焊接操作机上同一焊臂上前后安装两把焊枪来实现。双丝不共熔池，前枪采用药芯焊丝CO2气体保护焊或实芯焊丝富氩气保护焊，进行打底焊，后枪采用药芯焊丝CO2气体保护焊，进行盖面焊。 03 U肋板单元自动化焊接技术 在港珠澳大桥工程建设之前，我国钢桥制造行业的自动化水平较低，U肋板单元普遍采用导轮式角焊小车进行焊接，焊缝的质量稳定性欠佳。2011年开始，国内各大钢桥制造厂通过技术引进与自主创新，全面升级钢箱梁板单元自动化焊接技术。 （1）焊缝自动跟踪技术 目前，U肋焊接的焊缝自动跟踪技术和方式主要有机械轮式、感应探头式和电弧传感式三种，其技术复杂度和焊缝跟踪精度依次提高。 （2）自动化焊接装备 国内几大钢桥制造厂借鉴国外先进经验，自主开发了U肋板单元自动化焊接装备，其基本结构是在自行门架上安装多个焊接操作臂，形成了三种各有特点的U肋板单元自动化焊接方案。具体如下：一是以中铁山桥为代表的“焊接机器人＋摇摆斜胎架”方案（见图1a）；二是以中铁宝桥为代表的“多头焊接专机＋固定平胎架”方案（见图1b）；三是以武船重工为代表的“多头焊接专机+摇摆斜胎架”方案（见图1c）。其中“摇摆斜胎架方案”具有“中国特色”，可使U肋角焊缝处于船形位焊接，有助于改善焊缝成形，“液压式板单元反变形角焊摇摆胎架”先由武船重工提出，于2006年申请了专利。 （a）焊接机器人+摇摆斜胎架 （b）多头焊接专机+固定平胎架 （c）多头焊接专机+摇摆斜胎架 图1 U肋板单元自动化焊接装备 各种U肋板单元自动化焊接装备方式的技术特点与使用效果比较如附表所示。 在U肋板单元的组装定位焊方面，中铁山桥采用了焊接机器人进行定位焊的焊接，可有效提高定位焊缝的质量稳定性（见图2）。 图2 U肋板单元自动组装和机器人定位焊系统 04 U肋焊缝无损检测及焊后矫形技术 （1）焊缝无损检测技术 U肋角焊缝为部分熔透角焊缝，且截面尺寸小，采用常规A型超声检测技术的准确性和重复性都存在较大的问题，因此过去一直缺乏对U肋角焊缝内部质量的有效检测手段。2011年，武船重工针对8mm厚U肋角焊缝进行了无损检测技术研究，提出采用超声相控阵检测技术对于U肋角焊缝具有较高的检测精度，同时指出对于检测U肋角焊缝的焊接裂纹缺陷非常有效。 2012年，在港珠澳大桥业主的主持下，江苏法尔胜检测公司对U肋焊缝超声相控阵检测技术进行了专题研究。目前，超声相控阵检测技术已在多个桥梁工程中应用。 考虑到既有的超声相控阵检测方法仅对于U肋角焊缝纵向裂纹比较敏感，于2016年，武船重工提出了采用专用相控阵探头骑行于U肋角焊缝上进行扫查的方法进行内部横向裂纹的检测，具有很高的检出率。图3为U肋角焊缝横向裂纹检测的探头扫查方式，图4为内部横向裂纹的特征缺陷信号图像。 图3 横向裂纹检测的探头扫查方式 图4 横向裂纹特征缺陷信号图像 （2） 焊后矫形技术 U肋板单元焊后同时存在横向与纵向变形，机械矫形技术难度大。武船重工于2012年研制了国内首台U肋板单元机械辊压矫正机，前期使用效果不理想，在2015年通过设备改进和矫正工艺优化，突破了关键技术，满足了U肋板单元焊后矫正需求。相对于采用火焰矫正，显著提高了矫正工效。 05 U肋焊接新技术的发展 尽管正交异性钢桥面板的设计理念和制造工艺技术得到了改进，U肋焊缝的耐久性得到有效的提高，相关疲劳试验结果也满足了规范要求（200万次或500万次），但面对钢桥100年以上的使用需求和日益增加的交通压力，进一步提高焊缝疲劳寿命是非常有必要的。中国企业近年来在U肋焊接技术上开始了新的探索和实践。 （1）厚边U肋技术 厚边U肋由钢板连续轧制渐变成形，采用轧辊专用模具使U肋端部两侧圆弧形渐变加厚，厚度由8mm增厚至12mm，并一次性开制好焊接坡口和钝边。采用厚边U肋，通过减少焊缝与板厚中心线的偏心度，增加U肋焊缝的计算厚度，以提高焊缝的抗疲劳性能。厚边U肋的端部形状如图5所示。 图5 厚边U肋形状 厚边U肋技术关键在于U肋轧制成形过程控制及尺寸精度的保证，焊缝形式仍然为单侧焊接部分熔透角焊缝，焊缝根部的应力集中现象同样存在，技术特点限制了其焊缝的抗疲劳性能又更大的提升空间。此外，厚边U肋对加工过程控制要求较高，较易出现U肋旁弯过大、边缘直线度超差，钝边尺寸不均等问题。北京三元桥、武汉杨泗港长江大桥等桥梁工程应用了厚边U肋技术。 （2）U肋内焊技术 U肋内焊技术即通过专用焊接设备，将焊枪送进U肋内部，进行U肋内侧角焊缝的施焊工作，完成内焊工作后，再进行外侧焊缝的焊接。2011年开始，武船重工与武汉锂鑫自动化公司联合开发U肋内焊技术，攻克了焊接行进可靠性设计、狭小封闭空间焊接系统集成、远距离送丝、焊缝检测及返修等关键技术，于2016年完成世界上首条U肋内焊生产线的建设。U肋内焊技术首次应用于武汉沌口长江公路大桥项目，实施过程顺利，目前正在广东西江大桥等项目中推广应用。 通过U肋内焊技术，将U肋与桥面板之间的连接焊缝由单侧角焊缝改变为双侧角焊缝形式，彻底改变了焊缝对U肋腹板的偏心状态，大幅提高焊缝的计算厚度。相关疲劳试验表明，相比传统技术，应用U肋内焊技术可使焊缝疲劳寿命提高到2～4倍。图6为U肋内焊焊接过程，图7为内、外焊后U肋焊缝宏观断面。 图6 U肋内焊焊接过程 图7 U肋焊缝宏观断面 在U肋内侧焊接角焊缝后，再焊接外侧坡口角焊缝，可避免焊缝烧穿，为外侧焊缝工艺优化提供了更为广阔的空间，比如在U肋外侧可靠地实施埋弧焊工艺，有助于提高焊接工效，改善作业环境条件。今后的技术改进方向还包括：在现有内焊设备基础上，加装U肋组装定位设备，将内焊焊缝充当连续定位焊，取消外侧间断定位焊；加装外焊自动焊设备，可考虑U肋内、外焊缝同时焊接等。 在实施了U肋内焊后，形成了双侧角焊缝，中间未焊透处（每侧角焊缝根部）位于U肋焊缝接头的内部，在桥面车轮荷载作用下其应力幅值很低，并非疲劳裂纹敏感区；双侧焊的疲劳裂纹敏感区为内、外侧焊缝的焊脚处（桥面板侧），图8为U肋单侧焊与双侧焊疲劳试验断裂情况；因而，当有条件实现U肋双侧角焊缝时，应无需再要求焊缝全熔透，而应通过改善接头焊脚处的成形细节进一步提高抗疲劳性能。笔者认为：在双侧焊条件下正交异性钢桥面U肋焊缝的熔透率要求60%左右较为合适，既保证了抗疲劳性能，同时可减小焊接工作量。
图8 U肋单侧焊与双侧焊疲劳试验断裂情况 （3）U肋内侧贴衬垫单面焊双面成形技术 U肋内侧贴衬垫单面焊双面成形技术，即采用专用工装进入U肋内部，将焊接衬垫紧贴于U肋内侧与桥面板夹角处；将焊接工件置于斜胎架上，使U肋焊缝处于船形位，在外侧采用埋弧焊工艺。利用强烈的电弧热将焊接坡口根部母材及定位焊熔透，并借助内侧衬垫在焊缝背面强制成形，以此实现U肋焊缝单面焊双面成形和全熔透的效果，以期大幅提高U肋焊缝的抗疲劳性能。武汉天高熔接公司进行了该技术的研究开发，目前已完成了试验室阶段工作。 该技术工装设备相对简单，焊接工效高，但因须采用大电流的焊接工艺，焊接变形会相应增加。若要在实际产品的焊接中实现焊缝的全熔透，对于焊接坡口精度和焊接参数的稳定性要求较高，此外焊缝背面在衬垫侧被迫成形，需关注其成形质量的稳定性和一致性问题。U肋单面焊双面成形技术的应用效果有待在实际产品中的验证。 06 结语 U肋角焊缝是正交异性钢桥面板的关键承力焊缝，疲劳开裂问题突出，该焊缝数量多，质量要求高。我国桥梁建设者和焊接工作者把握重大工程实践机遇，锐意进取，勇于创新，在正交异性钢桥面U肋焊接技术水平上赶超发达国家。 近十年来，各大钢桥制造厂全面配置了自动化、智能化焊接装备，推行了金属粉芯药芯焊丝、双丝气保焊等高效化焊接材料与工艺，将先进的超声相控阵检测技术应用于U肋角焊缝的无损检测，成功开发应用了U肋内焊技术，以全新的技术途径解决焊缝疲劳耐久性问题。 作者简介：张华等，武船重型工程股份有限公司。 |
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