正交異性鋼橋面板制造技術(shù)研究

莊慶慶，馬靜肖

（中鐵山橋集團(tuán)有限公司，河北 秦皇島 066200）

1 引言

正交異性鋼橋面板具有自重較輕、承載能力強(qiáng)、應(yīng)用廣等特點(diǎn)，因此在斜拉橋、懸索橋、大跨徑橋梁、景觀橋等橋各種結(jié)構(gòu)形式和不同跨徑橋梁中得到了廣泛應(yīng)用。我國(guó)在成昆鐵路中首次使用正交異性板至今，已有鳳凰黃河大橋、重慶朝天門(mén)大橋、港珠澳大橋很多橋梁采用此結(jié)構(gòu)。在我國(guó)大力推進(jìn)鋼結(jié)構(gòu)橋梁建設(shè)的政策下，其應(yīng)用必將更為廣泛。但是隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，交通荷載量迅速增加，正交異性板的疲勞開(kāi)裂問(wèn)題也呈早發(fā)性、多發(fā)性的特征，嚴(yán)重地影響了橋梁的使用壽命。

2 正交異性鋼橋面板主要疲勞問(wèn)題

正交異性鋼橋面板結(jié)構(gòu)復(fù)雜，橫向剛度弱，焊縫復(fù)雜，橋面板在局部輪載作用下，與U 形肋之間發(fā)生較大的面外變形，而加工制造精度誤差和焊接質(zhì)量缺陷又進(jìn)一步加劇其疲勞性。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)：頂板與縱向U 形肋之間的焊縫是正交異性板疲勞開(kāi)裂的主要部位之一。頂板與縱向U 形肋之間的焊縫裂紋又分為焊趾處裂紋（見(jiàn)圖1a）及焊跟處裂紋（見(jiàn)圖1b）。

圖1 正交異性板焊縫裂紋

本文從原材采購(gòu)、單元件加工到組裝焊接全過(guò)程中影響正交異性板質(zhì)量的關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行控制，以減少此類(lèi)問(wèn)題的發(fā)生。

3 原材料的選擇

鋼板板型會(huì)直接影響到桿件加工制造的精度，內(nèi)應(yīng)力大的鋼板在切割后會(huì)發(fā)生旁彎等變形，機(jī)加工后內(nèi)應(yīng)力重新分布，又會(huì)產(chǎn)生新的變形，導(dǎo)致板邊直線度較差，進(jìn)而影響焊縫的焊接質(zhì)量。采購(gòu)時(shí)選用板型好，平面度好，內(nèi)應(yīng)力小的板材，能有效減少U 形肋與面板的疲勞裂縫。另外，碳、硫等有害物質(zhì)含量滿足標(biāo)準(zhǔn)的情況下選擇碳、硫含量更低的廠家。有些廠家為了控制生產(chǎn)成本，碳、硅等有害元素含量雖然滿足標(biāo)準(zhǔn)，但在標(biāo)準(zhǔn)的上限，雖然板材力學(xué)性能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，但可焊性低，焊接后熱影響區(qū)硬度大，容易開(kāi)裂，直接影響桿件的質(zhì)量[2]。

4 半品件控制

4.1 趕平

GB/T 709—2019《熱軋鋼板和鋼帶的尺寸、外形、重量及允許偏差》中對(duì)于8～15 mm 厚鋼類(lèi)L (最小屈服強(qiáng)度不大于460 MPa)的普通不平度精度要求≤7 mm[2]，而Q/CR 9211—2015《鐵路鋼橋制造規(guī)范》中要求零件的平面不平度≤1 mm[3]。為提高鋼板的平面度，鋼板的趕平是非常必要也是非常重要的。另外，鋼板的反復(fù)趕平，使鋼板軋制時(shí)產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力分布均勻或消除，為下料、加工和焊接變形的控制提供良好的條件。

4.2 U形肋銑邊

U 形肋板邊直線度直接影響壓型后U 形肋與面板的組裝間隙，間隙過(guò)大直接影響U 形肋焊縫質(zhì)量。Q/CR 9211—2015《鐵路鋼橋制造規(guī)范》規(guī)定U 形肋組裝間隙允許偏差≤0.5 mm。為滿足這一要求，選用雙邊銑邊機(jī)，U 形肋一次裝卡定位，雙面雙邊各雙刀盤(pán)同時(shí)進(jìn)行2 次銷(xiāo)銑加工，保證U 形肋直線度公差在2 mm 以內(nèi)。

4.3 坡口成型

U 形肋坡口數(shù)控成型機(jī)床使用特別自制的鋼板夾持機(jī)構(gòu)，在加工過(guò)程中能夠有效地控制鋼板的振動(dòng)，降低坡口鈍邊偏差，保證公差不超過(guò)0.5 mm。另外，高速銑削功能可以有效避免坡口面的微觀裂紋。

4.4 壓彎

目前，U 形肋的成型方式有3 種，折彎、輥彎和熱軋。折彎、輥彎都屬于冷彎加工。冷彎的缺點(diǎn)是圓弧部位經(jīng)過(guò)冷彎后有冷作硬化的趨勢(shì)，硬度增高，導(dǎo)致圓弧部位的抗疲勞性能有所降低。

折彎的優(yōu)點(diǎn)是可以適用于各種規(guī)格形狀的組形肋，加工靈活，適用范圍廣，可以根據(jù)自身的加工裝備靈活調(diào)整加工參數(shù)，以滿足組裝、焊接的需求。

而輥彎和熱軋需要靠不同的模具來(lái)達(dá)到所需的外形尺寸，靈活性差，適應(yīng)范圍窄。

熱軋的優(yōu)點(diǎn)是生產(chǎn)線流水作業(yè)效率高，交貨周期短，尺寸精度好，沒(méi)有冷作硬化現(xiàn)象。熱軋另外的缺點(diǎn)是只能熱軋狀態(tài)交貨，通過(guò)合金化提高U 形肋的力學(xué)及焊接性能，很難進(jìn)行后期熱處理，目前在高材質(zhì)（Q345）領(lǐng)域應(yīng)受一定的制約。

目前，折彎技術(shù)應(yīng)用比較廣泛，技術(shù)也比較成熟，現(xiàn)在多數(shù)廠家U 形肋加工仍然以折彎方式為主。

5 焊接

目前，國(guó)內(nèi)鋼結(jié)構(gòu)橋梁對(duì)于正交異性板單元的焊接要求分為單面焊部分熔透（熔深不低于板厚的75%）和雙面焊接100%全熔透2 種形式。雙面焊接100%全熔透可以更好地提高正交異性板的抗疲勞性，減少焊接裂紋的發(fā)生，逐漸在鋼結(jié)構(gòu)橋梁中推廣使用，像武穴長(zhǎng)江大橋、深中通道、洪齊門(mén)大橋等均采用了雙面焊工藝。但目前仍有一部分項(xiàng)目要求單面焊部分熔透工藝，下面分別就這2 種焊接方案展開(kāi)論述。

5.1 單面焊部分熔透角焊縫焊接

5.1.1 板單元自動(dòng)化組裝

板單元自動(dòng)化組裝機(jī)床（見(jiàn)圖2）的定位、壓緊裝置通過(guò)液壓系統(tǒng)自動(dòng)控制。此系統(tǒng)組裝的板單元任意2 根U 形肋中心距偏差在±1 mm 內(nèi)；U 形肋定位直線度偏差不超過(guò)1 mm；壓緊后U 形肋與面板間間隙不超過(guò)0.5 mm。另外，U 形肋組裝采用可更換的定形卡具，卡具之間的位置可以調(diào)整，從而適用于與不同間距、不同形狀和尺寸的U 形肋的組裝。定位焊U 肋角焊縫兩側(cè)同時(shí)焊接，電流、電壓、焊速、焊縫長(zhǎng)度以及收弧時(shí)間等參數(shù)全部自動(dòng)控制，解決了傳統(tǒng)手工定位焊縫質(zhì)量波動(dòng)問(wèn)題。

圖2 板單元自動(dòng)化組裝機(jī)床

5.1.2 板單元自動(dòng)化焊接

板單元自動(dòng)化焊接系統(tǒng)（見(jiàn)圖3）通過(guò)焊接過(guò)程中機(jī)器手的擺動(dòng)，感知焊接電流和電弧電壓的變化，計(jì)算出焊絲相對(duì)于焊縫中央的偏移量并實(shí)時(shí)糾正，實(shí)現(xiàn)對(duì)焊縫的跟蹤。每臺(tái)機(jī)械配置6 個(gè)懸臂焊接機(jī)械手，采用接觸式跟蹤方式，焊接方法為氣體保護(hù)焊（CO2或富氬氣），藥芯焊絲或?qū)嵭暮附z焊接。為保證焊腳大小，常采用單絲雙道焊縫進(jìn)行焊接。焊接前根據(jù)焊接試驗(yàn)確定板單元焊接變形大小，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在反變形胎上預(yù)制反變形。焊接采用船位焊，提高焊縫外觀質(zhì)量。一側(cè)焊接完成后，翻轉(zhuǎn)胎架，使另一側(cè)也在船位狀態(tài)下焊接。

圖3 板單元自動(dòng)化焊接系統(tǒng)

5.2 U形肋角焊縫全熔透焊接

傳統(tǒng)的U 形肋角焊縫一般要求單面焊部分焊透，熔深一般只能達(dá)到板厚的80%。隨著交通荷載的增加，以及U 形肋板單元疲勞問(wèn)題的不斷出現(xiàn)，現(xiàn)在逐漸發(fā)展成要求雙面焊接100%全熔透。

U 形肋內(nèi)側(cè)角焊縫采用U 形肋內(nèi)焊專(zhuān)機(jī)，通過(guò)增加U 形肋內(nèi)側(cè)角焊縫的焊接，消除了焊縫根部的應(yīng)力集中，提高了焊接的疲勞強(qiáng)度。內(nèi)焊焊接方式可采用實(shí)心焊絲富氬氣體保護(hù)焊或埋弧焊的焊接工藝。氣體保護(hù)焊要特別注意保護(hù)氣的供應(yīng)，防止斷氣、漏氣，埋弧焊要注意防潮。使用具有深熔功能的焊接電源，提高焊縫熔透深度。

U 形肋坡口側(cè)先進(jìn)行打底焊，打底焊采用半自動(dòng)焊接小車(chē)，蓋面焊采用龍門(mén)機(jī)器人焊接。U 形肋坡口側(cè)焊縫焊接時(shí)在特制反變形胎上，采用船位焊接位置進(jìn)行焊接[4]。焊縫通過(guò)相控陣超聲波檢測(cè)，焊縫能達(dá)到100%全熔透（見(jiàn)圖4）。

圖4 全熔透焊縫宏觀斷面

5.3 正交異性板單元矯正

傳統(tǒng)的板單元熱矯形工藝效率低，占地面積大，采用火焰加熱鋼板產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力變形來(lái)抵消焊接變形，對(duì)鋼板力學(xué)性能產(chǎn)生不利影響，浪費(fèi)了大量人力、物力，同時(shí)增加了制造周期。板單元冷矯形機(jī)（見(jiàn)圖5）通過(guò)液壓和機(jī)械傳動(dòng)，對(duì)板單元的焊接變形部位施加壓力，行進(jìn)中進(jìn)行縱橫向連續(xù)矯形，產(chǎn)生反向塑性變形抵消焊接變形，對(duì)母材性能影響小。

圖5 板單元冷矯形機(jī)

采用程序操控，平整度自動(dòng)檢測(cè)，效率提高3 倍以上，矯正后的板單元平面度≤1 mm。

6 結(jié)語(yǔ)

正交異性板的疲勞問(wèn)題一直是鋼橋制造行業(yè)重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題。本文中從正交異性板制造全過(guò)程進(jìn)行分析，通過(guò)選擇高品質(zhì)板材，優(yōu)化制造方案，提高單元件制造精度，加工過(guò)程全部機(jī)械化、智能化，減少人為因素的干擾，以及選擇合適的焊接方法，提高熔透焊縫質(zhì)量等一系列方案，以減少疲勞裂紋的發(fā)生。