U肋内焊技术的工艺参数优化研究

U肋内焊技术的工艺参数优化研究
杨帆;刘岑;叶志娟;张红卫;刘小宁
【摘要】U肋内焊技术解决了U肋内侧角焊缝无法焊接问题,提高了U肋根部的疲劳强度,可广泛应用于桥梁正交异性板结构的焊接.结合U肋内焊技术实际样板焊接情况,研究和探讨了U肋内焊技术的工艺参数优化.优化结果提高了焊接质量,降低了工艺成本,提高综合经济效益.%The problem that U-rib inside fillet welds couldn't be welded had been solved and the fatigue strength of the U-rib roots was improved by using U-rib internal welding technology.It could be widely used in the welding of bridge orthotropic plate structure.Based on actual template welding situation of U-rib internal welding technology, the optimization of process parameters of U-rib internal welding technology was studied and discussed.The quality of welding was improved, the process cost was reduced and the comprehensive economic benefits were improved through the optimization.
【期刊名称】《武汉工程职业技术学院学报》
【年(卷),期】2017(029)001
【总页数】3页(P15-17)
【关键词】U肋内焊;焊接;优化焊接参数;疲劳强度
【作者】杨帆;刘岑;叶志娟;张红卫;刘小宁
【作者单位】武汉软件工程职业学院湖北武汉 430205;湖北轻工职业技术学院湖北武汉 430205;武汉软件工程职业学院湖北武汉 430205;武汉软件工程职业学院湖北武汉 430205;武汉软件工程职业学院湖北武汉 430205
【正文语种】中文
【中图分类】TG44
钢箱梁桥梁由于结构简单、用料省、工期短及制造成本低等优点，广泛应用于我国桥梁建设中[1]，例如我国第一座跨径超越千米的特大型悬索桥——江阴长江大桥以及世界首座主缆连续的三塔四跨悬索桥——武汉鹦鹉洲长江大桥等。

钢箱梁桥梁的面底板通常采用正交异性板结构形式[2]，而面底板大量采用U肋进行加劲。

然而U肋截面尺寸较小，常规焊机无法进入其内部施焊，因此行业内U 肋与面底板通常采用外焊的方式进行焊接，即在U肋根部外侧开制45°-60°坡口后与面底板进行两次单面焊接。

第一次为防止自动焊时发生烧穿现象在坡口根部所进行的打底焊，第二次为在打底焊焊缝面层进行的盖面焊，使得焊缝熔敷饱满，成型美观。

因此U肋根部内侧与面底板间存在一个连续或者断续的深度不大于
1.6mm的开口，造成应力集中，抗疲劳性差。

长期在交变载荷的作用下，面底板或U肋发生竖向挠曲变形，从而在焊趾或焊根处引发疲劳裂纹，导致开裂。

U肋内焊技术即设计制造出适应U肋内部空间大小的焊机：焊机固定在约10m长的方管一端(方管和焊机的大小都能适应U肋内部空间)，方管另一端焊接在龙门架上，通过伺服电机驱动龙门架直线行走从而带动焊机在U肋内部进行纵向直线十字交叉焊接。

该技术从根本上解决了U肋内侧角焊缝无法焊接问题，同时在内焊完成后还要进行外焊，保证U肋根部内外两侧都得到施焊，因此U肋根部的疲劳强度及正交异性板结构的疲劳寿命得到大幅提高。

笔者根据企业工作经验，结合U 肋样板内焊试验情况，研究和探讨了U肋内焊技术工艺参数的优化，并对优化后
的结果进行了分析。

对已完成内焊试验的样板焊接质量进行检查并结合样板焊接过程情况，发现主要存在以下问题：焊机断弧较频繁、样板弯曲变形过大、焊缝熔敷金属不均匀等。

通过对焊接电压(电流)、装配参数、工序及焊接保护气体成分等工艺参数进行分析及优化，解决这些问题。

(1)内焊试验过程中发现焊机会间断性、反复地断弧，不仅降低生产效率，同时由
于过多断弧、二次起弧产生的焊接接头会造成应力集中，降低焊缝的疲劳强度。

经分析，发现断弧主要原因在于U肋与面底板装配间隙过大，在内焊焊机枪头经过
装配间隙时发生断路，造成断弧。

由于以往U肋板单元只通过外焊来制造，外焊
焊机体积较大、系统功能完善及对工况适应性较强，对于稍大装配间隙的影响可以忽略。

而内焊焊机由于本身工作空间狭小，因此焊机的功能及适应性较弱，此时，装配间隙就会造成断弧。

将装配工序由每间隔600mm点焊一段30mm的焊缝改为每间隔300mm点焊一段60mm的焊缝，保证装配间隙控制在0.5mm以内，
允许个别局部位置0.75mm以内后，断弧现象明显减少。

(2)内焊试验前，制定的工序为样板装配→样板内焊→样板外焊→机械校正，考虑
到内焊技术施焊空间密闭，散热不易，为避免施焊时烧穿焊缝背面，因此设计U
肋钝边尺寸比一般的外焊制造钝边尺寸(1mm)[3]厚0.5mm，为1.5mm。

根据电
脑模拟加载结果，1.5mm钝边的U肋静载强度和成型变形都良好。

但在实际焊接过程中，发现两道焊接工序下来，样板纵向面外弯曲变形远大于只外焊时的纵向面外弯曲变形，需经过多次机械校正才能满足工艺要求(甚至有些弯曲变形经多次机
械校正仍无法满足工艺要求，只能报废)，降低了生产效率。

经分析发现，由于内
焊的样板要经过内焊、外焊两次不连续、长时间的焊接，而且两次焊接工序间断时间不长，不能通过时效法消除应力，且两道焊接工序间没有进行校正，因此内焊产生的焊接残余应力会释放于外焊过程中，使样板发生过度变形。

同时钝边尺寸越小，
外焊量越大，而焊接量越大，变形就越大，因此变形愈发明显。

在内焊工序完成后增加锤击法消除内焊产生的焊接残余应力，同时将钝边尺寸改为3mm后，弯曲变形明显减少。

(3)除了内焊试验时使用的焊丝与外焊打底焊不同外(内焊焊丝型号：GWL-W56，
φ1.2mm；外焊焊丝型号：GFL-71Ni，φ1.4mm)，其他焊接工艺参数均参照外焊打底焊设定：药芯焊丝CO2气保焊，电流300-320A，电压33-35V，焊接速度580-620mm/min。

但焊接完成后发现部分焊缝存在严重咬边、气孔及大量飞溅，焊接质量较差。

经分析，发现原因在于U肋内部空间密闭，在相同条件下内焊焊
接产生的热能高于外焊焊接产生的热能。

因此，应在保证焊缝熔深满足要求的前提下，内焊焊接电流应适当减小，同时降低焊接速度，使焊缝熔池中气体充分逸出。

在调整焊接电流，试验数次后发现焊接电流调整为280-300A，焊接速度调整为350-400mm/min时，上述焊接缺陷明显减少。

(4)通过观察发现，样板U肋内部角焊缝存在金属熔敷不均匀现象：熔敷金属大量
偏向板单元一侧，而U肋根部处熔敷金属明显较少。

这会造成焊缝疲劳强度不足，降低U肋板单元疲劳寿命。

经分析发现原因在于工作时焊枪中心点是对准U肋内
侧与板单元的接触线进行纵向焊接，如图1所示，而U肋内侧是没有开制坡口的，因此焊缝熔池金属在结晶的过程中，受重力影响，总是偏向于板单元一侧，造成焊缝处金属熔敷不均匀。

在将焊枪工作中心点改为接触线偏U肋上方10-20mm后，熔敷明显均匀。

(5)内焊试验时采用与外焊相同的二氧化碳保护气体+药芯焊丝的焊接方式，忽略了药芯焊丝焊接后会在焊缝表面覆盖一层药皮，影响焊缝质量的目检。

以往外焊时，采取工人在焊机后1m进行边焊边敲击的方法来除药皮。

而内焊时人工除药皮的
方法无法采用，因此样板内焊时采用在焊接枪头处后200mm设置弹簧卡紧装置
并在弹簧前端安装勾爪，跟随枪头扫过焊缝表面，除去药皮层。

但根据实际情况，
发现该方法并不理想，总会有部分药皮没有清理，仍然覆盖在焊缝表面，导致无法检查焊缝质量。

在沟通讨论后，决定变更焊接保护气体和焊材，采用富氩混合保护气体(Ar+CO2+O2)+实心焊丝，由于实心焊丝没有药皮层，焊接完成后焊缝直接裸露，从根本上解决了去除药皮的困难。

同时混合保护气体焊本身就具有飞溅小、焊缝成型美观等优点，因此优化后采用富氩混合保护气体+实心焊丝的焊接方式。

基于U肋内焊技术样板焊接情况，通过合理调整工序、改变工艺规范对U肋内焊技术的工艺参数进行了分析优化，优化后U肋内部角焊缝金属熔敷均匀，成形美观，焊接质量良好，如图2。

钢箱梁桥梁的面底板采用U肋内焊技术可行，通过优化焊接工艺参数，可降低工艺成本，提高焊接质量。

(1)适当提高装配工序点焊焊缝密度，保证焊缝间隙不大于0.5mm，可有效减少内焊断弧现象；
(2)增加锤击法消除内焊产生的焊接应力并将钝边尺寸改为3mm时，可有效减少内焊变形；
(3)设置内焊焊接电流为280-300A及焊接速度为350-400mm/min时，可有效减少焊接缺陷；
(4)调整内焊焊枪工作中心点为U肋与底板接
触线偏U肋上方10-20mm后，可使焊缝处金属熔敷均匀；
(5)采用富氩混合保护气体及实心焊丝的焊接方式，可从根本上解决去除药皮的困难，焊缝成型美观，焊接质量好。

【相关文献】
[1] 《中国公路学报》编辑部.中国桥梁工程学术研究综述·2014[J].中国公路学报，2014，(5)：1-96.
[2] W.C.Astiz,Wind Related Behavior of Alternative Suspension Bridge. IABSE学术会议论文文集.哥本哈根，1996.
[3] 张华，胡昂，张志伟，等.钢桥U肋角焊缝细丝埋弧焊实验研究[J].金属加工(热加工)，2016，
(4)：73-75.。