鋼橋制造焊接技術(shù)與質(zhì)量保證

徐向軍， 范軍旗， 劉洪武， 馬立朋， 胡廣瑞

中鐵山橋集團(tuán)有限公司，河北 秦皇島 066205

0 引言

2022 年我國鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)量首次突破億噸（1.014億噸），其中橋梁鋼結(jié)構(gòu)占7.6%（約771 萬噸）。我國是鋼橋制造大國，近十幾年來依托于港珠澳大橋、滬蘇通長江大橋、平潭海峽大橋、孟加拉國帕德瑪大橋、深中通道、常泰長江大橋等超級橋梁工程，通過鋼橋制造業(yè)及上下游單位的共同努力，我國鋼橋制造技術(shù)取得了重大發(fā)展，橋梁用鋼、焊接材料、鋼橋焊接技術(shù)和裝備等都有了重大突破。

在橋梁用材料方面，研發(fā)并應(yīng)用了強(qiáng)度等級更高的Q500q和Q690q鋼；隨著人們環(huán)保意識的增強(qiáng)，鋼橋向著更加綠色環(huán)保的方向發(fā)展，陸續(xù)建造了官廳水庫公路特大橋、拉林鐵路藏木特大橋、黑河大橋等耐候鋼橋，Q345～Q420級耐候橋梁鋼被研發(fā)應(yīng)用；不銹鋼與結(jié)構(gòu)鋼的復(fù)合鋼板也被普遍用于鐵路鋼橋面制造；在新型橋梁用鋼開發(fā)的同時，研發(fā)了配套焊接材料和焊接工藝。

在焊接裝備方面，研制了板單元自動組裝定位焊機(jī)床、板單元反變形機(jī)器人焊接系統(tǒng)、橫隔板單元機(jī)器人焊接系統(tǒng)、U 形肋內(nèi)角焊專機(jī)和外角焊專機(jī)、U 肋板單元組焊一體機(jī)、橫隔板接板焊接機(jī)器人、箱形弦桿橫隔板焊接機(jī)器人等設(shè)備，建成了多條鋼箱梁板單元焊接生產(chǎn)線和鋼桁梁弦桿焊接生產(chǎn)線，應(yīng)用了小型焊接機(jī)器人。在焊接質(zhì)量檢測方面，應(yīng)用了先進(jìn)的相控陣探傷技術(shù)，采用了板單元破壞檢測技術(shù)，對焊接生產(chǎn)提出更嚴(yán)格的管控要求，整體提升了我國鋼橋制造水平。目前我國正在由造橋大國向造橋強(qiáng)國邁進(jìn)。

1 橋梁用鋼發(fā)展

我國橋梁用鋼取得重大突破，繼重慶朝天門長江大橋和南京大勝關(guān)長江大橋率先研發(fā)應(yīng)用低碳微合金貝氏體橋梁鋼Q420q 之后，為滬蘇通長江大橋的建造開發(fā)了Q500qE 鋼并首次應(yīng)用，為江漢七橋的建造開發(fā)了Q690qE 鋼并首次應(yīng)用，為官廳水庫公路特大橋的建造開發(fā)了Q345qENH 耐候鋼并首次應(yīng)用，為拉林鐵路藏木特大橋的建造開發(fā)了Q420qENH 耐候鋼并首次應(yīng)用，為黑河特大橋的建造開發(fā)了Q420qFNH 耐候鋼并首次應(yīng)用。在常泰長江大橋上，鐵路橋面應(yīng)用了316L+Q370qE、316L+Q420qE 和316L+Q500qE 復(fù)合鋼板；在川藏鐵路大渡河特大橋上，大量采用Q500qD鋼厚板，最大板厚達(dá)96 mm。為保證鋼板具有良好的焊接性，采用低碳、微合金成分設(shè)計，控制有害元素含量，降低焊接裂紋敏感性，新型高性能橋梁鋼板化學(xué)成分如表1所示。鋼板采用先進(jìn)的熱機(jī)械軋制（TMCP）工藝，為減小內(nèi)鋼板應(yīng)力，厚鋼板采用回火處理，從而保證鋼板具有良好的綜合力學(xué)性能，鋼板力學(xué)性能如表2所示［1-2］。

表1 新型高性能橋梁鋼板主要化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）Table 1 Main chemical compositions of steel plate （wt.%）

表2 鋼板力學(xué)性能Table 2 Mechanical property of steel plate

在開發(fā)高性能橋梁鋼板的同時，配套研發(fā)了高韌性、低氫型焊材。針對Q345～Q420 級耐候鋼，為了保證焊縫金屬的耐候性，焊材熔覆金屬耐候指數(shù)I≥6.2或I≥6.5，保證了焊縫與母材的耐候性匹配，滿足設(shè)計要求。

2 焊接裝備升級

2.1 橋面板單元焊接裝備

橋面板單元是決定橋梁壽命的關(guān)鍵部件，U 形肋與橋面板之間的角焊縫直接承受車輪荷載，易受疲勞破壞，影響橋梁安全和壽命。U 形肋與橋面板的組裝精度是保證U形肋角焊縫焊接質(zhì)量的前提，在港珠澳大橋制造時研發(fā)了U 形肋板單元自動組裝定位機(jī)床，如圖1所示，該機(jī)床集自動行走、打磨、除塵、定位、壓緊和機(jī)器人定位焊于一體，安全環(huán)保，極大提高了組裝精度、組裝效率和定位焊縫質(zhì)量，確保U形肋與橋面板組裝間隙控制在0.5 mm以內(nèi)［3-4］。U形肋定位焊縫宏觀斷面照片見圖2。

圖1 U形肋板單元自動組裝定位機(jī)床Fig.1 Automatic assembling and positioning machine for deck of U-rib

圖2 U形肋定位焊宏觀斷面照片F(xiàn)ig.2 Macro-section of position welding of U-rib

橋面板U 形肋角焊縫采用單面焊，熔深要求達(dá)到U 形肋厚度的80%以上，即8 mm 厚U 形肋焊縫熔透深度不小于6.4 mm，且不得焊漏，即達(dá)到“透而不漏”的效果。為了保證焊接質(zhì)量，研發(fā)了板單元反變形焊接機(jī)器人系統(tǒng)［3］，如圖3所示，每套焊接系統(tǒng)配備4 個焊接機(jī)器人，機(jī)器人焊接采用先進(jìn)的電弧跟蹤技術(shù)，實時感知焊接電弧狀態(tài)，確保坡口根部熔合質(zhì)量，配合反變形翻轉(zhuǎn)胎架實施船位焊接，保證了U 形肋角焊縫外觀成形，提高了抗疲勞性能，較傳統(tǒng)的跟蹤器焊接的角焊縫抗疲勞強(qiáng)度提高40 MPa。U形肋角焊縫宏觀斷面照片如圖4所示。

圖3 板單元反變形焊接機(jī)器人系統(tǒng)Fig.3 Anti-deformation welding robot system for deck

圖4 U形肋角焊縫宏觀斷面照片F(xiàn)ig.4 Macro-section of U-rib fillet weld

在舟山通道項目中采用U形肋內(nèi)角焊專機(jī)（見圖5），通過U 形肋內(nèi)側(cè)角焊縫和外角焊縫的焊接，實現(xiàn)了U肋角焊縫雙面焊，從而消除了U形肋角焊縫單面焊的焊縫根部的應(yīng)力集中，提高橋面板的抗疲勞強(qiáng)度。每個焊接龍門架上配備6 個焊臂，每個焊臂上安裝2把焊槍，可以同時焊接板單元上6根U形肋的12條角焊縫，焊接方式有氣體保護(hù)焊或埋弧自動焊兩種。

圖5 U形肋內(nèi)角焊專機(jī)Fig.5 Internal welding machine for U-rib

在深中通道項目中研制了正交異性橋面板U形肋組裝焊接一體化系統(tǒng)，該裝備是將U形肋組裝和內(nèi)焊設(shè)備集成于一體，在組裝設(shè)備對U形肋與面板連續(xù)滾動定位壓緊的同時進(jìn)行內(nèi)側(cè)角焊縫的埋弧焊接，用U 形肋內(nèi)角焊取代定位焊縫，避免了定位焊縫對U 肋角焊縫焊接質(zhì)量的影響。較傳統(tǒng)的先進(jìn)行板單元組裝定位再進(jìn)行內(nèi)角焊的焊接工藝，減少了定位焊工序，在一臺設(shè)備上完成組裝和內(nèi)側(cè)角焊縫焊接作業(yè)，提高了板單元焊接效率［5］。橋面板U形肋組裝焊接一體化系統(tǒng)如圖6所示。

圖6 U形肋組裝焊接一體化系統(tǒng)Fig.6 Integrated system for assembling and welding U-rib

利用埋弧焊熔深大的優(yōu)點(diǎn)，將U 形肋埋弧內(nèi)角焊與U形肋埋弧外角焊工藝相結(jié)合，實現(xiàn)U肋不開坡口雙面焊熔透焊接。內(nèi)角焊采用1.6 mm 焊絲，外角焊采用3.2 mm 焊絲，焊接工藝參數(shù)如表3所示。U 形肋埋弧外角焊專機(jī)如圖7所示，每臺專機(jī)配備6把焊槍，配合反變形翻轉(zhuǎn)胎實施船位焊接，可同時船位焊接板單元上6 個U 肋的同側(cè)6 條焊縫，熔深大，焊縫外觀成形好，焊縫質(zhì)量穩(wěn)定，焊接效率高。U形肋雙面焊熔透角焊縫宏觀斷面照片見圖8。

圖7 U形肋埋弧外角焊專機(jī)Fig.7 External submerged arc welding machine for U-rib

圖8 U形肋雙面焊熔透角焊縫宏觀斷面Fig.8 Macro-section of fusion penetration fillet weld of double-sidedwelding U-rib

表3 U形肋角焊縫雙面埋弧焊工藝參數(shù)Table 3 Process parameters for double-sided submerged arc welding of U-rib fillet weld

2.2 橫隔板單元焊接裝備

根據(jù)鋼箱梁橫隔板單元的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，研發(fā)了橫隔板單元機(jī)器人焊接系統(tǒng)，如圖9所示。每套焊接系統(tǒng)配置2 個焊接機(jī)器人，能夠?qū)崿F(xiàn)加勁肋兩側(cè)角焊縫對稱施焊，有效減小焊接變形。還能夠通過程序設(shè)置，實現(xiàn)板肋端部自動連續(xù)包角焊接，保證了焊接質(zhì)量，提高焊縫抗疲勞等級［3，6］。加勁肋板端部包角焊縫見圖10。

圖9 橫隔板單元機(jī)器人焊接系統(tǒng)Fig.9 Welding robot system for diaphragm element

圖10 加勁肋板端部包角焊縫照片F(xiàn)ig.10 Photo of the boxing at the end of stiffener

鋼箱梁橋的橫隔板接板與頂板、U 形肋角焊縫要求連續(xù)焊接，且橫隔板接板與U形肋角焊縫的端部要求包角焊，為此研發(fā)了橫隔板接板焊接機(jī)器人，焊縫外觀一致性好。橫隔板接板焊接機(jī)器人見圖11，橫隔板接板角焊縫外觀照片見圖12。

圖11 橫隔板接板焊接機(jī)器人Fig.11 Welding robot system for adapter plate of diaphragm

圖12 橫隔板接板角焊縫外觀Fig.12 Appearance of fillet weld of adapter plate of diaphragm

2.3 鋼桁梁桿件焊接裝備

在常泰長江大橋鋼桁梁弦桿制造中，針對箱型桿件焊接采用橫隔板焊接機(jī)器人，見圖13，提高了鋼桁梁焊接自動化。另外，針對箱型和工形桿件主角焊縫采用龍門埋弧焊專機(jī)和雙絲埋弧焊技術(shù)，提高了焊接效率，見圖14。

圖13 箱型弦桿橫隔板焊接機(jī)器人Fig.13 Welding robot for diaphragm of box-type chord member

圖14 龍門埋弧焊專機(jī)Fig.14 Gantry welding machine for submerged arc welding

2.4 小型焊接設(shè)備

在鋼箱梁、鋼塔節(jié)段整體拼裝焊接中，應(yīng)用小型焊接機(jī)器人或跟蹤小車。小型自動化焊接設(shè)備機(jī)動靈活，提高了自動化程度，改善了焊工的工作條件，提升了焊縫質(zhì)量穩(wěn)定性［7］。小型焊接機(jī)器人或跟蹤小車焊接照片見圖15。

3 嚴(yán)格的焊縫質(zhì)量檢測

3.1 相控陣探傷技術(shù)

在橋梁鋼結(jié)構(gòu)焊縫質(zhì)量檢測上，除了按照《鐵路鋼橋制造規(guī)范》Q/CR 9211-2015、《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》JTG/T 3650-2020、《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁制造和安裝施工規(guī)范》JTG/T 3651-2022 的規(guī)定采用傳統(tǒng)的外觀檢查和超聲波、射線、磁粉探傷外［8-10］，還針對板單元U 形肋角焊縫無損檢測應(yīng)用先進(jìn)的相控陣探傷技術(shù)，對U 肋角焊縫的熔深進(jìn)行精確測定，通過角焊縫宏觀斷面與相控陣探傷熔透深度對比，相控陣檢測結(jié)果偏差在0.5 mm 以內(nèi)，相控陣探傷熔透深度與角焊縫宏觀斷面對比結(jié)果見圖16。

圖16 相控陣探傷熔透深度與角焊縫宏觀斷面對比Fig.16 Comparison between the penetration depth of phased array inspection and the macro-section of fillet weld

3.2 板單元破壞檢測技術(shù)

在常泰長江大橋制造中，針對業(yè)內(nèi)關(guān)心的橋面板U 形肋角焊縫質(zhì)量檢測采用板單元破壞檢測技術(shù)，根據(jù)不同焊接批次隨機(jī)抽取生產(chǎn)的面板單元，切取U 形肋試件進(jìn)行破壞檢查，見圖17，由質(zhì)檢人員和監(jiān)理工程師共同對U 肋角焊縫宏觀斷面的熔透深度進(jìn)行測量檢查。

圖17 板單元破壞檢查Fig.17 Destructive inspection of deck

板單元破壞性檢查要求對板單元焊接生產(chǎn)提出更嚴(yán)格的管控要求，通過嚴(yán)格控制板單元U肋的加工精度、采用板單元自動組裝定位機(jī)床進(jìn)行定位焊、焊接前進(jìn)行班前試板焊接、采用板單元反變形焊接機(jī)器人系統(tǒng)焊接U 形肋坡口角焊縫等具體措施，焊接裝備始終處于良好的工作狀態(tài)，從而確保焊接質(zhì)量始終處于穩(wěn)定水平。

4 結(jié)論

（1）高性能橋梁鋼和高品質(zhì)焊材的開發(fā)，為鋼橋制造技術(shù)提升和焊接效率的提高奠定了基礎(chǔ)。

（2）現(xiàn)代化的焊接裝備，提升了我國橋梁鋼結(jié)構(gòu)制造水平，改善了焊接作業(yè)環(huán)境，提高了生產(chǎn)效率。

（3）相控陣探傷技術(shù)、板單元破壞檢測的實施，對焊縫檢查更精準(zhǔn)、嚴(yán)格，要求焊接生產(chǎn)始終保持良好的工作狀態(tài)，從而保證焊接質(zhì)量的穩(wěn)定性。