贝玉成，徐向军，王建国，何涛
中铁山桥集团有限公司 河北秦皇岛 066200
常泰长江大桥主航道桥为斜拉桥，主跨跨度1176m，天星洲和录安洲专用航道桥为钢桁拱桥，主跨跨度388m，录安洲非通航孔桥为3×124m连续钢桁梁，其中主航道桥刷新世界纪录，为世界最大跨度公铁两用斜拉桥。大桥主梁采用板桁组合结构，桁宽35m，桁高15.1m，效果图如图1所示。
图1 常泰长江大桥效果图
主梁桥面宽度为33.1m，双层桥面，主梁横断面如图2所示。行车道范围内桥面板纵向加劲肋采用U形肋，其坡口角焊缝要求单面焊，焊缝熔透深度≥0.8倍U肋板厚，且不得焊漏。
图2 常泰长江大桥主桥横断面
正交异性桥面板结构由面板、纵肋和横肋组成，纵肋和横肋互相垂直并焊接在面板上，其结构板件众多，受力复杂，长期承受反复的交通荷载作用[1]，其中U肋与桥面板间角焊缝直接承受轮压载荷，焊接质量至关重要，将直接影响大桥的使用寿命。
依据焊接工艺评定试验编制而成的焊接工艺是决定焊接质量的关键，焊接工艺稳定性是保证焊接质量的前提。焊接设备、坡口加工精度是焊接工艺稳定性的基础以及焊接质量的保障[2]。
2.1 焊接设备
U肋板单元采用板单元自动组装定位焊接系统，通过该系统实现了打磨、除尘、组装和机器人定位焊的自动化，如图3所示。板单元上的U肋角焊缝采用板单元焊接机器人在反变形胎架上焊接[3]，如图4所示。
图3 板单元自动组装定位焊接系统
图4 板单元反变形焊接机器人系统
2.2 焊接顺序
U肋板单元焊接顺序如下。
1）将组装好的板单元夹固在反变形胎上，平位对称焊接U肋两侧打底焊道。
2）将胎型倾斜约38°角，船位焊接盖面焊道。
3）按照编好的程序对称同向施焊。
2.3 焊接参数
（1）U肋定位焊 采用富氩气体保护焊，机器人焊接，焊接参数见表1。
表1 U肋定位焊焊接参数
（2）U肋坡口角焊缝 采用金属粉型药芯焊丝CO2气体保护焊，机器人焊接，焊接参数见表2。
表2 U肋角焊缝焊接参数
为检测桥面板单元U肋角焊缝焊接工艺性的稳定性，在每天焊接作业前首先焊接U肋班前试板。U肋班前试板焊接后，立即解剖制取宏观断面，待检测熔透深度合格后，方可进行板单元U肋角焊缝的焊接。
3.1 班前试板的焊接
将班前试板连接到板单元中最先焊接的U肋前端。每一个班次必须在开始板单元焊接前，按照批准的U肋角焊缝焊接工艺焊接一个班前试板，班前试板焊接与产品U肋角焊缝的焊接方向保持一致。
3.2 检测取样位置
班前试板焊接后立即取断面对班前试板进行检测，每个试件取2个宏观断面（从U肋的两条焊缝各取一个），班前试板及宏观断面取样如图5所示。
图5 班前试板及宏观断面取样示意
3.3 班前试板检测
（1）外观检测 班前试板所有焊缝在全长范围内进行外观检查，符合《常泰长江大桥（跨江段）主体工程钢桁梁、钢塔制造项目制造规则》的规定。
（2）宏观断面熔深检测 判定标准见表3。
表3 宏观断面熔深检测判定标准
（3）宏观断面熔深检测结果统计 目前所有班前试板的宏观断面检测结果全部满足熔透深度≥0.8t要求，部分班前试板宏观断面检测结果见表4，熔透深度曲线如图6所示，典型宏观断面酸蚀照片如图7所示。宏观断面检测熔透深度合格后才能进行正式板单元焊接。
图6 班前试板熔透深度曲线
图7 班前试板宏观断面
表4 部分班前试板宏观断面熔深检测结果
为了更好地检测大生产过程中U肋角焊缝的焊接质量，要求前10块完成焊接并经外观和磁粉检测合格后的板单元，由监理随机抽取1块进行破坏性试验，制取U肋角焊缝宏观断面检测角焊缝熔透深度，从而检测桥面板单元焊接工艺性的稳定性。
4.1 破坏性板单元
监理随机抽取的破坏性板单元编号为E3BD2-1，长宽尺寸为10994mm×2994mm，板单元上共有5根U肋，10条角焊缝。从每条U肋角焊缝上间隔1m取样一个宏观断面，每条角焊缝取10个宏观断面，共制取宏观断面100个。板单元规格尺寸、U肋数量、焊缝长度、取样数量见表5。
表5 破坏性板单元及取样数量
4.2 宏观断面熔透深度判定要求
1）从破坏性板单元上取到的宏观断面总数作为分母，各等级熔深断面数作为分子，U肋板厚为t，依据检测结果进行熔透深度和比例判定。熔透深度≥0.8t的宏观断面数量比例≥75%，或熔透深度≥0.75t的宏观断面数量比例≥90%，且无熔透深度＜0.7t（或焊缝喉厚＜1.2t）时，判为合格。
2）当未满足上述要求时，可在熔透深度＜0.7t（或焊缝喉厚＜1.2t）的试件位置，前后距离50mm位置处各增加1个宏观断面试件，若都合格，则判为合格。否则，另外选取1片板单元重新检测，若合格则该批次合格，否则该批次余下8块板单元判为不合格。
3）若首批板单元检测不合格，需停产整顿，调整工艺后，重新制作试验板单元进行试验，检测合格后，方可批量生产。
4.3 破坏性板单元宏观断面检测结果
对从破坏性板单元E3BD2-1上制取的100个试件进行宏观断面熔透深度检测，有97个达到≥0.8t要求，比例为97%，高于本项目规定的宏观断面熔透深度≥0.8t比例≥75%的要求，熔透深度达到≥0.75t比例为100%，高于本项目规定的宏观断面熔透深度达到0.75t比例≥90%的要求，无焊缝喉厚＜1.2t的情况。破坏性试验典型宏观断面熔透深度比例检测结果见表6，破坏性试验熔透深度曲线如图8所示，典型宏观断面照片如图9所示，板单元破坏性试验结论合格，后续板单元可批量生产。
图8 破坏性试验熔透深度曲线
图9 破坏性试验典型宏观断面照片
表6 破坏性试验宏观断面熔透深度比例 （%）
4.4 影响因素分析
熔透深度＜0.8t的试件有3 个，编号为A 1-U2a-9、A1-U2b-7和A1-U5a-9，宏观断面照片如图10所示。
由图10可看出，3个试件未熔透深度尺寸分别为1.71mm、1.99mm和1.85mm，熔透深度分别为0.799t、0.761t和0.788t，统计结果见表7。
表7 U肋板厚及熔透深度统计
图10 熔透深度差的宏观断面
3个试件角焊缝的坡口根部熔合良好，焊缝饱满，说明焊枪角度、电弧跟踪状态、焊接参数等符合焊接工艺要求。通过宏观断面实物测量U肋板厚及未熔透深度，并与其他宏观断面对比分析可得，钝边尺寸偏大是未能达到熔透深度≥0.8t的主要原因，后期通过进一步控制U肋钝边加工精度，可有效提高U肋角焊缝焊接质量，使U肋角焊缝熔透深度合格率达到100%。
通过合理的焊接工艺，保证板单元U肋角焊缝熔透深度；
根据班前试板、板单元破坏性试验，验证U肋角焊缝焊接工艺性的稳定性，确保常泰长江大桥U肋板单元的焊接质量。