索鞍整體隔板窄間距焊接技術(shù)研究

石紅昌 蘇蘭 黃安明

(德陽(yáng)天元重工股份有限公司，四川 德陽(yáng) 618000)

甌江北口大橋?yàn)槿目缡綉宜鳂騕1]，該橋類似于國(guó)內(nèi)著名的泰州大橋(三塔兩跨)和鸚鵡洲大橋(三塔兩跨)，三者均設(shè)有中塔主索鞍，用于支撐主纜及轉(zhuǎn)向[2]。中塔主索鞍均為鑄焊結(jié)構(gòu)，以厚板焊接為主[3]，鞍槽設(shè)有豎向隔板，但三者豎向隔板結(jié)構(gòu)形式不同。溫州甌江北口大橋中塔主索鞍采用整體豎向隔板，焊接空間狹窄，焊縫質(zhì)量要求高，通過(guò)試驗(yàn)研究，采用窄間距焊接技術(shù)，保證了中塔主索鞍豎向隔板的焊接質(zhì)量。

1 結(jié)構(gòu)形式對(duì)比

泰州大橋中塔主索鞍內(nèi)設(shè)有60 mm厚豎向隔墻及5 mm豎向隔板，隔板及隔墻均采用分層結(jié)構(gòu)，底層隔板和隔墻與鞍槽底部為非熔透型的坡口焊接，上下層之間通過(guò)凹凸齒嵌合；鸚鵡洲大橋中塔主索鞍僅設(shè)有5 mm的豎向隔板。傳統(tǒng)隔板或隔墻均采用分層結(jié)構(gòu)，底層隔板與鞍槽為非熔透型焊縫，抗剪切能力較弱。而甌江北口大橋中塔主索鞍國(guó)內(nèi)首次采用整體豎向隔板，隔板厚度為12 mm、14 mm、16 mm三種規(guī)格，在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中豎向隔板需要承受主纜摩擦力，并將其傳遞給索鞍整體，因此必須保證豎向隔板與鞍座的連接強(qiáng)度，所以隔板與鞍槽底部采用熔透型坡口焊縫，大大增強(qiáng)隔板與鞍槽底部連接強(qiáng)度的同時(shí)，也大大提高抗剪切能力。為保證最終全豎向隔板抗滑索鞍能夠在后續(xù)施工中滿足架設(shè)主纜等的施工要求以及在后期運(yùn)營(yíng)過(guò)程中滿足其使用功能要求。豎向隔板在鞍槽內(nèi)形成主纜索股索槽，且索鞍分兩半組裝而成，控制索槽精度是為了控制隔板最終精度。槽路寬度控制不均，將導(dǎo)致個(gè)別索槽過(guò)窄，后續(xù)無(wú)法安裝主纜；兩半索鞍組裝后同一索槽的隔板對(duì)接錯(cuò)臺(tái)嚴(yán)重，縮小連接處的索槽寬度，同時(shí)對(duì)索股產(chǎn)生彎折，導(dǎo)致主纜鋼絲局部應(yīng)力過(guò)大，損傷主纜鋼絲。因此保證最終索槽精度是控制抗滑索鞍精度的關(guān)鍵和難點(diǎn)。由于鞍座的鞍槽加工精度容易保證，但豎向隔板與鞍座通過(guò)焊接進(jìn)行連接，其安裝精度很難保證。因此在制造過(guò)程中，需要嚴(yán)格控制隔板精度，以確保最終索鞍的精度。

另外，由于其他橋均采用分層結(jié)構(gòu)，不存在焊接空間限制問(wèn)題，該結(jié)構(gòu)的難度在于焊接空間狹窄，焊縫質(zhì)量要求高，每道豎向隔板豎向不分層，是一整塊到頂結(jié)構(gòu)。為了確定溫州甌江北口大橋中塔主索鞍豎向隔板焊接的可操作性，同時(shí)檢查驗(yàn)證焊接質(zhì)量是否能達(dá)到圖紙技術(shù)要求，進(jìn)行主鞍隔板焊接工藝試驗(yàn)，對(duì)窄間距焊接技術(shù)進(jìn)行研究，保證中塔主索鞍豎向隔板的焊接質(zhì)量。

2 試驗(yàn)方法

采用與中塔主鞍1∶1的主鞍模型進(jìn)行隔板焊接工藝試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ桶ㄔ囼?yàn)鞍體及隔板兩部分，見(jiàn)圖1。

圖1 試驗(yàn)主鞍模型示意圖Figure 1 Testing main cable saddle model

2.1 鞍體制作

按照技術(shù)要求進(jìn)行鋼板采購(gòu)、下料、成型和坡口制作，按照?qǐng)D2所示的鞍體組裝順序進(jìn)行鞍體組裝焊接，焊接后焊縫探傷合格后，在大型數(shù)控鏜銑床上通過(guò)數(shù)控編程加工鞍槽。

圖2 試驗(yàn)鞍體組裝示意圖Figure 2 Assembly of testing saddle body

2.2 隔板組裝焊接

由于隔板之間間隙小，要保證焊縫全熔透，施焊空間太小，人工無(wú)法操作，考慮采用專用焊接機(jī)器人的方式進(jìn)行焊接，焊接機(jī)器人焊接方案簡(jiǎn)易圖見(jiàn)圖3。

(1)試驗(yàn)鞍體擺放到合適位置，隔板1～7(見(jiàn)圖4)從鞍槽兩側(cè)向內(nèi)順序進(jìn)行組裝，組裝一個(gè)隔板后，按焊接工位2方案采用焊接機(jī)器人的窄間距機(jī)頭和普通焊接機(jī)頭進(jìn)行自動(dòng)焊接，焊接、探傷合格后，再組裝下一個(gè)隔板，操作方式同上。每組裝一個(gè)隔板，都要焊接、探傷一次。最后預(yù)留中間的兩塊隔板8和9暫時(shí)不組裝。

(2)隔板1～7焊接、探傷完畢后，先組裝隔板8，按焊接工位1方案用專用窄間距焊接機(jī)頭進(jìn)行焊接，然后再組裝隔板9，操作方式同上。

(3)中間兩塊隔板8和9的組裝焊接坡口形式與其它隔板不同，見(jiàn)圖4的局部放大圖。

(a)焊接工位1(b)焊接工位2圖3 隔板機(jī)器人焊接方案簡(jiǎn)易圖Figure 3 Spacer plate welding scheme by welding robots

圖4 隔板編號(hào)及焊縫的局部放大圖Figure 4 Spacer plate number andlocal enlargement of welds

(4)隔板的具體組裝過(guò)程示意圖見(jiàn)圖5。

(5)隔板焊接過(guò)程中，焊縫不可高出繩槽和隔板表面，控制焊縫表面低于繩槽或隔板表面0.5 mm左右。

2.3 焊縫清理

采用常規(guī)風(fēng)動(dòng)砂輪和接長(zhǎng)風(fēng)動(dòng)砂輪對(duì)隔板與鞍槽的焊縫進(jìn)行修整打磨，要求焊縫不得高于鞍槽內(nèi)的繩槽和隔板表面，保證焊接區(qū)域和繩槽、隔板平面平整。采用接長(zhǎng)風(fēng)動(dòng)砂輪，其長(zhǎng)度為900 mm，接上磨頭后長(zhǎng)度約950 mm，靠近尾端桿身最大直徑約50 mm，接長(zhǎng)桿身直徑約30 mm，可以安裝各型打磨磨頭，采用該設(shè)備可以解決隔板焊接后的焊縫打磨問(wèn)題。

圖5 隔板組裝順序示意圖Figure 5 Assembly order of spacer plate

2.4 探傷檢驗(yàn)

焊接過(guò)程中，對(duì)各隔板與鞍槽之間的焊縫按要求及時(shí)進(jìn)行打磨，并檢查焊縫質(zhì)量，焊接完成后檢查隔板的變形情況以及隔板間距是否均勻。

鞍槽中間幾塊隔板的焊縫，由于焊接后隔板間距只有61 mm，整個(gè)隔板高度尺寸超過(guò)900 mm，焊后無(wú)法直接進(jìn)行無(wú)損檢驗(yàn)，可通過(guò)中塔主索鞍豎向隔板焊接接頭超聲波相控陣[4-5]檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，確定相控陣檢測(cè)方法最佳使用性，從而更好地控制隔板焊接接頭質(zhì)量。

3 相控陣檢測(cè)試驗(yàn)方案

3.1 試驗(yàn)用試塊設(shè)計(jì)

根據(jù)試驗(yàn)件圖紙要求，對(duì)隔板焊接接頭形式歸納為3種，制作圖6所示的對(duì)比試驗(yàn)塊。根據(jù)試塊試驗(yàn)檢測(cè)工藝參數(shù)，確保超聲相控陣檢測(cè)波束能全覆蓋所檢焊縫區(qū)域。根據(jù)檢出缺陷及焊縫覆蓋要求，在試塊不同位置制作人工缺陷，所有試塊長(zhǎng)度100 mm以上。

3.2 半自動(dòng)掃查裝置

由于豎板之間間距較小，設(shè)計(jì)半自動(dòng)檢測(cè)掃查裝置。制作的專用掃查器應(yīng)有一定長(zhǎng)度，并且靠磁力作用可緊密貼合在鞍槽臺(tái)階處，保證平穩(wěn)拖動(dòng)。將探頭固定在掃查器上，根據(jù)檢測(cè)覆蓋焊縫的基本要求，確定探頭位置，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)進(jìn)行微調(diào)。在磁力作用下可以自由拖動(dòng)掃查器，同時(shí)確保探頭與鋼板良好接觸耦合。耦合效果顯示在相控陣儀器上，且可報(bào)警。

圖6 對(duì)比試塊示意圖Figure 6 Reference test pieces

3.3 超聲相控陣工藝參數(shù)試驗(yàn)

通過(guò)以上三個(gè)步驟的工藝試驗(yàn)，確定超聲相控陣檢測(cè)所需儀器探頭、對(duì)比試塊后，在試件上進(jìn)行超聲相控陣檢測(cè)工藝參數(shù)試驗(yàn)，包括檢測(cè)靈敏度、掃查速度、圖形分析等試驗(yàn)研究，確定檢測(cè)工藝參數(shù)。

3.4 對(duì)比試驗(yàn)驗(yàn)證

在試件上進(jìn)行A超檢測(cè)，記錄檢測(cè)結(jié)果，對(duì)試件進(jìn)行解剖分析，驗(yàn)證超聲相控陣檢測(cè)精確性。通過(guò)不同檢測(cè)方法試驗(yàn)，優(yōu)化超聲相控陣檢測(cè)工藝參數(shù)，并制定最終檢測(cè)工藝。

4 試驗(yàn)結(jié)果及應(yīng)用

焊縫連續(xù)焊接，焊縫表面平整光滑，外觀成型美觀。中間焊縫表面層略低于鞍槽圓弧加工面。隔板焊接完后，用優(yōu)化的相控陣檢驗(yàn)工藝對(duì)焊縫進(jìn)行探傷，達(dá)到B/2級(jí)合格要求，焊縫一次合格率100%。焊接探傷合格后，去除支撐固定拉筋，對(duì)隔板進(jìn)行矯形，測(cè)量隔板間隙在59.5～62 mm之間。

溫州甌江北口大橋中塔主索鞍豎向隔板與鞍槽之間的熔透焊縫采用相控陣進(jìn)行檢測(cè)，按照GB/T 32563—2016《無(wú)損檢測(cè) 超聲檢測(cè) 相控陣超聲檢測(cè)方法》和GB/T 29712—2013《焊縫無(wú)損檢測(cè) 超聲檢測(cè) 驗(yàn)收等級(jí)》進(jìn)行檢測(cè)，所有焊縫均一次性檢驗(yàn)合格。整體豎向隔板的焊接變形量控制在設(shè)計(jì)要求的±2 mm精度范圍。

5 結(jié)論

(1)試驗(yàn)中，設(shè)定合適的焊接參數(shù)及焊接順序，施焊過(guò)程中能保證焊縫的熔透性和連續(xù)性，焊縫表面光滑平整。

(2)每道焊縫均通過(guò)相控陣超聲波檢測(cè)，達(dá)到B/2級(jí)要求。記錄隔板焊縫的施焊的參數(shù)，為將來(lái)中塔索鞍工件焊接時(shí)，采用同一焊接設(shè)備按照主鞍試驗(yàn)的合格施焊參數(shù)進(jìn)行隔板焊接，從而保證索鞍鞍槽內(nèi)部隔板焊縫質(zhì)量符合要求。

(3)該試驗(yàn)方案保證隔板在焊接過(guò)程中合理控制焊接順序，減少焊接變形量，后期通過(guò)矯形，隔板間隙尺寸控制在59.5～62 mm，很好地控制了變形，保證隔板的垂直性和平順性。

(4)相控陣超聲檢測(cè)可用于將來(lái)中塔主索鞍豎向隔板的焊縫檢測(cè)，從而更好地控制隔板的焊接接頭質(zhì)量。