CN106334861B - 闭口纵肋与桥面板连接角缝单面熔透焊的施工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种闭口纵肋与桥面板连接角缝单面熔透焊的施工方法，包括以下施工步骤：将多个闭口纵肋与桥面板组装形成桥面板单元，并安放在板单元焊接生产线的胎架上使处于水平状态，于内部的两个纵向角缝安装焊接衬垫；转动胎架使位于外部的一侧纵向角缝焊接；转动胎架使位于外部的另一侧纵向角缝焊接；转动胎架使之处于水平状态，并移除完成焊接的桥面板单元。本发明能够解决闭口纵肋与桥面板单面焊的未焊透而存在的疲劳裂纹源所导致疲劳裂纹的问题，不仅能有效防止闭口纵肋角焊缝焊穿，还能保证闭口纵肋角焊缝的熔深达到设计要求，在提高生产效率的同时，使钢结构闭口纵肋角焊缝全熔透并且良好成型，延长钢结构的使用年限。
Description
技术领域
本发明涉及钢结构桥梁制造技术领域。具体地说，本发明涉及一种闭口纵肋与桥面板连接角缝单面熔透焊的施工方法。更具体地说，本发明涉及一种应用于正交异性板钢桥的桥面板单元的闭口纵肋与桥面板连接角缝的焊接，也可应用于相似结构的焊接。
背景技术
正交异性钢桥面板由面板、纵肋和横肋组成，三者互为垂直，这种结构形式由于其刚度在相互垂直的方向上各不相同，因此造成受力行为上的各向异性，故称为正交异性钢桥面板。
正交异性钢桥面板的纵肋有两种截面，一是开口截面，如常用的有板条、球扁钢、角钢、T型结构等；另一种是闭口截面，如半圆形、三角形、矩形、梯形、U形等。开口截面纵肋虽然有结构简单和便于制造等优点，但由于其刚度较小，压屈强度较低，要求有布置较密的横肋，经济性较差，故在桥梁行车道范围内不被采用。而闭口截面纵肋有较高的压屈强度，抗弯抗扭刚度大，故在正交异性钢桥的行车道区均采用闭口截面纵肋。
正交异性钢桥面板应用于桥梁已有60余年，由于其自身重量轻，整体安全性好，故被大量应用于大跨度桥梁中，但在桥梁检测维护过程中已发现桥梁中出现程度不同的疲劳裂纹。形成疲劳裂纹的原因很多，直接原因是路面行走车辆超载导致轮压过大，解决的措施有增加桥面板厚度、增加纵肋板厚度、优化节点形式、确保纵肋与桥面板焊缝熔深等，通过不断的总结和改进，尽管减少了疲劳裂纹的出现，但还是没有彻底解决，其主要原因是闭口纵肋与桥面板的连接角缝由于施焊空间的限制只能单面焊，为保证焊缝不被焊穿使焊缝背面成型差而造成更大的危害，现制造规范中只要求其保证80％的熔深，由于存在20％大小的未焊透，也就是说这允许的未焊透就是形成疲劳裂纹的疲劳源，只要是形成疲劳裂纹的另一要素即交变应力达到某一程度的情况下，就会出现疲劳裂纹。
发明内容
本发明的一个目的是解决至少上述问题，并提供至少后面将说明的优点。
本发明还有一个目的是提供一种闭口纵肋与桥面板连接角缝单面熔透焊的施工方法，其能够解决闭口纵肋与桥面板单面焊的未焊透而存在的疲劳裂纹源所导致疲劳裂纹的问题，不仅能有效防止闭口纵肋角焊缝焊穿，还能保证闭口纵肋角焊缝的熔深达到设计要求，在提高生产效率的同时，使钢结构闭口纵肋角焊缝全熔透并且良好成型，改善钢结构闭口纵肋角焊缝物理性能，延长钢结构的使用年限。
为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种闭口纵肋与桥面板连接角缝单面熔透焊的施工方法，包括以下施工步骤：
步骤一、将多个闭口纵肋与桥面板组装形成桥面板单元，并安放在板单元焊接生产线的胎架上，转动胎架使桥面板单元处于水平状态，每个闭口纵肋与桥面板限定一狭小空间，于内部的两个纵向角缝安装焊接衬垫；
步骤二、转动胎架，使桥面板单元的位于外部的一侧纵向角缝处于亚船形的焊接位置，并采用双丝埋弧焊进行焊接，实现单面焊双面成型；
步骤三、转动胎架，使桥面板单元的位于外部的另一侧纵向角缝处于亚船形的焊接位置，并采用双丝埋弧焊进行焊接，实现单面焊双面成型；
步骤四、转动胎架使之处于水平状态，并移除完成焊接的桥面板单元。
优选的是，所述的闭口纵肋与桥面板连接角缝单面熔透焊的施工方法，焊接采用双丝埋弧焊配合埋弧焊焊剂，埋弧焊焊剂包括以下质量百分比的组分：MgO：10％～15％、CaO：2％～5％、CaF2：10％～15％、MnO：10％～15％、Al2O3：30％～40％、TiO：1～5％、SiO2：19％～22％、以及SiFe：2％～5％；
前焊丝、后焊丝材质的成分范围为：C≤0.12、Mn：0.3-2.1、Si：0.03-0.95、Cr≤0.2、Ni≤0.3、Cu≤0.2、S≤0.035、P≤0.035，前焊丝直径为1.2～5.0mm、后焊丝直径为1.2～5.0mm，前焊丝和后焊丝间距为15～45mm。
优选的是，所述的闭口纵肋与桥面板连接角缝单面熔透焊的施工方法，所述焊接衬垫包括耐高温衬垫材料和柔性包覆层，位于狭小空间内部的纵向角缝的柔性包覆层在电弧高温冲击下熔化，所述耐高温衬垫材料在电弧高温冲击下部分表面熔化强制并保护焊缝成型。
优选的是，所述的闭口纵肋与桥面板连接角缝单面熔透焊的施工方法，所述耐高温衬垫材料为颗粒烧结焊剂，所述柔性包覆层为厚度0.2～2mm的玻璃纤维布管，颗粒烧结焊剂包括以下质量百分比的组分：SiO2：25％～35％、Al2O3：2％～8％、MgO：25％～35％、TiO2：10％～20％、ZrO2：4％～10％、CaO：5％～10％、以及K2O+NaO+Fe2O3：5％～10％。
优选的是，所述的闭口纵肋与桥面板连接角缝单面熔透焊的施工方法，安装焊接衬垫的具体方式为：采用电驱动的自动顶紧小车于桥面板单元的狭小空间沿纵向行走，两侧用顶紧轮将焊接衬垫固定在内部的纵向角缝并顶紧，焊接作业与自动顶紧小车行走同步进行。
优选的是，所述的闭口纵肋与桥面板连接角缝单面熔透焊的施工方法，安装焊接衬垫的具体方式为：采用液压驱动或弹性力驱动的顶紧装置于桥面板单元的狭小空间沿纵向铺设，两侧用带磁性或弹夹的直钢柱固定住焊接衬垫，焊接衬垫为条状或绳状，将其固定在内部的纵向角缝并顶紧。
优选的是，所述的闭口纵肋与桥面板连接角缝单面熔透焊的施工方法，所述耐高温衬垫材料为耐1320℃以上的衬垫材料。
本发明至少包括以下有益效果：
第一、本发明通过自动装贴小车在位于狭小空间内部的纵向焊缝加装焊接衬垫，安装装置结构简单，容易制造及应用，安装方法便于施工，且安装牢靠，位于狭小空间外部的纵向焊缝焊接时采用双丝埋弧焊配合闭口纵肋专用埋弧焊剂进行焊接，采用双丝，是为了利用不同的电弧特性，使前面一根丝采用直流而确保熔深，后面一根丝采用交流而确保焊缝外观成型，正面背面可以获得良好的成型；
第二、本发明通过加装焊接衬垫和采用双丝埋弧焊焊接工艺，实现了钢结构闭口纵肋角焊缝100％熔透，对生产现场焊接工艺和装配工艺放宽要求的同时，减少了人力物力的消耗，施工方法操作简单，提高了生产效率，确保焊接质量；
第三、本发明用于钢结构闭口纵肋角焊缝的焊接作业，不仅能有效防止闭口纵肋角焊缝焊穿，还能保证钢结构闭口纵肋角焊缝的熔深达到全熔透要求，在提高生产效率的同时，使钢结构闭口纵肋角焊缝正反成型良好，改善钢结构闭口纵肋角焊缝耐疲劳性能，延长钢结构的使用寿命。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
图1为正交异性钢桥面板的闭口纵肋的结构示意图；
图2为桥面板单元处于水平状态时的胎架结构示意图；
图3为闭口纵肋板的焊接示意图；
图4为本发明的方法焊接得到的桥面板与闭口纵肋的外部角缝的焊缝成型的示意图；
图5为本发明的方法焊接得到的桥面板与闭口纵肋的内部纵向角缝的焊缝成型的示意图；
图6为现有技术的方法焊接得到的桥面板与闭口纵肋的外部纵向角缝的示意图；
图7为现有技术的方法焊接得到的桥面板与闭口纵肋的部纵向角缝未熔透的示意图；
图8为本发明的方法焊接得到的桥面板与闭口纵肋的全熔透横截面示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。
需要说明的是，下述实施方案中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法，所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得；在本发明的描述中，术语“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
本发明提供一种闭口纵肋与桥面板连接角缝单面熔透焊的施工方法，包括以下施工步骤：
步骤一、将多个闭口纵肋1与桥面板2组装形成桥面板单元，并安放在板单元焊接生产线的胎架3上，转动胎架3使桥面板单元处于水平状态，每个闭口纵肋1与桥面板2限定一狭小空间，于内部的两个纵向角缝安装焊接衬垫4；
步骤二、转动胎架3，使桥面板单元的位于外部的一侧纵向角缝处于亚船形的焊接位置，并采用双丝埋弧焊进行焊接，实现单面焊双面成型；
步骤三、转动胎架3，使桥面板单元的位于外部的另一侧纵向角缝处于亚船形的焊接位置，并采用双丝埋弧焊进行焊接，实现单面焊双面成型；
步骤四、转动胎架3使之处于水平状态，并移除完成焊接的桥面板单元。
在上述技术方案中，如图1所示，钢箱梁涉及桥面板2、桥底板5、桥腹板6、边腹板7、横隔板8及闭口纵肋1，闭口纵肋1可以为U形、三角形等多种形状，本发明的图示中为更好的说明施工方案，绘制为U形，实际施工中，不仅可以在桥面板2上组装并焊接闭口纵肋1，也可以在桥底板5上组装并焊接闭口纵肋1，以达到改善钢结构闭口纵肋1角焊缝耐疲劳性能的效果。胎架3为焊接领域的现有装置，包括：胎架基体、数个支座、支撑油缸及数个锁紧夹具，所述支座与胎架基体采用铰轴连接，所述支撑油缸的一端通过铰轴安装于胎架基体的一侧，所述支撑油缸的另一端通过铰轴安装于与胎架3中心对应的第二地面预埋件上，通过支撑油缸的行程来调节胎架基体的放置状态。由于桥面板2与闭口纵肋1形成的钢结构内部具有狭小空间，常规工人仅进行外部纵向角缝的焊接，非常容易导致工件焊穿或达不到设计熔深要求，使得桥面板2在使用数年后就容易发生晃动等现象，很大部分原因是焊缝未熔透，耐疲劳性能大打折扣，通过在桥面板2处于水平状态时的狭小空间内部的纵向角缝安装焊接衬垫4、在外部的纵向角缝处于亚船形的状态(桥面板2倾斜，与地面成15～25°夹角)时焊接，实现桥面板2与闭口纵肋1单面焊双面成型，还能保证钢结构闭口纵肋1角焊缝的熔深达到全熔透要求，在提高生产效率的同时，使钢结构闭口纵肋1角焊缝正反成型良好，改善钢结构闭口纵肋1角焊缝耐疲劳性能，延长钢结构的使用寿命。
在另一种技术方案中，所述的闭口纵肋与桥面板连接角缝单面熔透焊的施工方法，焊接采用双丝埋弧焊配合埋弧焊焊剂，采用双丝是为了利用不同的电弧特性，使前面一根丝采用直流而确保熔深，后面一根丝采用交流而确保焊缝外观成型，埋弧焊焊剂包括以下质量百分比的组分：MgO：10％～15％、CaO：2％～5％、CaF2：10％～15％、MnO：10％～15％、Al2O3：30％～40％、TiO：1～5％、SiO2：19％～22％、以及SiFe：2％～5％；在本公司简称为型号为TGF-SJ501的焊剂，在高速焊接状态下能提供较稳定的熔深，在焊接过程中电弧稳定，脱渣性良好，成形美观，与母材金属结合良好，经过超声波探伤检测，焊缝金属内无裂纹、气孔、夹杂等缺陷；双丝埋弧焊的前焊丝、后焊丝材质为H08A、H08MnA、H10Mn2等(根据钢板等级而定)，前焊丝、后焊丝材质的成分范围为：C≤0.12、Mn：0.3-2.1、Si：0.03-0.95、Cr≤0.2、Ni≤0.3、Cu≤0.2、S≤0.035、P≤0.035，前焊丝直径为1.2～5.0mm、后焊丝直径为1.2～5.0mm，前焊丝和后焊丝间距为15～45mm。配合双丝埋弧焊对桥面板2和闭口纵肋1形成的坡口焊接，100％熔透，焊缝焊脚平滑性高，焊缝光滑度高，具有很高的应用价值。
在另一种技术方案中，所述的闭口纵肋与桥面板连接角缝单面熔透焊的施工方法，所述焊接衬垫4包括耐高温衬垫材料和柔性包覆层，位于狭小空间内部的纵向角缝的柔性包覆层在电弧高温冲击下熔化，所述耐高温衬垫材料在电弧高温冲击下部分表面熔化强制并保护焊缝成型。耐高温衬垫材料防止焊接时工件焊穿，强制钢结构闭口纵肋1角焊缝背部焊缝成型，柔性包覆层为软状可自由弯曲材质，便于容置和固定耐高温衬垫材料。
在另一种技术方案中，所述的闭口纵肋与桥面板连接角缝单面熔透焊的施工方法，所述耐高温衬垫材料为颗粒烧结焊剂，所述柔性包覆层为厚度0.2～2mm的玻璃纤维布管，颗粒烧结焊剂包括以下质量百分比的组分：SiO2：25％～35％、Al2O3：2％～8％、MgO：25％～35％、TiO2：10％～20％、ZrO2：4％～10％、CaO：5％～10％、以及K2O+NaO+Fe2O3：5％～10％，以下简称TG-U1衬垫。玻璃纤维布管包覆颗粒烧结焊剂，综合比例调和使得承托铁水的位置更加光滑，成型更美观。
在另一种技术方案中，所述的闭口纵肋与桥面板连接角缝单面熔透焊的施工方法，安装焊接衬垫4的具体方式为：采用电驱动的自动装贴小车于桥面板单元的狭小空间沿纵向行走，两侧用涂有压敏胶的铝箔胶带将焊接衬垫4固定在内部的纵向角缝并顶紧。自动装贴小车另申请专利，为具有行走机构、铝箔胶带预变型机构、铝箔胶带压紧机构、铝箔胶带保护纸收集机构的装置，能够沿桥面板2的纵向行走，并将衬垫顶紧。安装焊接衬垫4的具体方式为：采用电驱动的自动顶紧小车于桥面板单元的狭小空间沿纵向行走，两侧用顶紧轮将焊接衬垫固定在内部的纵向角缝并顶紧，焊接作业与自动顶紧小车行走同步进行。自动顶紧小车另申请专利，为具有行走机构、归正机构的装置，归正机构包括第一压轮和第一弹性构件，第一弹性构件受到所述第一压轮挤压时，产生回复弹性力，使第一压轮抵触在焊接衬垫上，自动顶紧小车能够沿桥面板2的纵向行走，并将衬垫顶紧，与焊接同步进行。
在另一种技术方案中，所述的闭口纵肋与桥面板连接角缝单面熔透焊的施工方法，安装焊接衬垫4的具体方式为：采用液压驱动或弹性力驱动的顶紧装置于桥面板单元的狭小空间沿纵向铺设，两侧用带磁性或弹夹的直钢柱固定住焊接衬垫4，焊接衬垫4为条状或绳状，将其固定在内部的纵向角缝并顶紧。顶紧机构另申请专利，沿桥面板2的纵向铺设的装置，两侧通过直钢柱与铁皮槽吸附将衬垫顶紧。
在另一种技术方案中，所述的闭口纵肋与桥面板连接角缝单面熔透焊的施工方法，所述耐高温衬垫材料为耐1320℃以上的衬垫材料。避免在高温同铁水熔化，更好承托铁水。
采用本发明的闭口纵肋与桥面板连接角缝单面熔透焊的施工方法，以下简称T-UFB法，对两块试验钢板进行焊接试验，实验装置及焊接材料如表1所示。其中，第一试验钢板和第二试验钢板的参数如表2、表3所示。试验规范和条件如表4所示。
表1
| 名称 | 型号 | 生产厂家 |
| 焊接衬垫顶紧装置 | TG-U0 | 天高 |
| 埋弧焊机 | 时代逆变 | 天高 |
| 试板母材材质 | Q345qD | 天高 |
| 埋弧焊焊丝 | H08MnA | 天高 |
| 焊接衬垫 | TG-U1 | 天高 |
| 埋弧焊焊剂 | TGF-SJ501 | 天高 |
表2
| 第一试验钢板 | 闭口纵肋 | 顶板 |
| 母材板厚 | 10mm | 18mm |
| 装配角度 | 78° | 无 |
| 母材坡口 | 40° | 无 |
| 装配间隙 | 无 | 无 |
表3
| 第二试验钢板 | 闭口纵肋 | 顶板 |
| 母材板厚 | 12mm | 20mm |
| 装配角度 | 78° | 无 |
| 母材坡口 | 40° | 无 |
| 装配间隙 | 无 | 无 |
表4
| 第一试验钢板 | 第二试验钢板 | |
| 焊接电压 | 前丝30V，后丝35V | 前丝32V，后丝35V |
| 焊接电流 | 前丝400A，后丝250A | 前丝450A，后丝260A |
| 焊接速度 | 60cm/min | 55cm/min |
| 焊丝前后间距 | 15mm | 35mm |
| 焊丝直径 | 前丝1.6mm，后丝2.0mm | 前丝1.6mm，后丝2.0mm |
| 埋弧焊剂 | TGF-SJ501 | TGF-SJ501 |
焊接结果表示，第一试验钢板和第二试验钢板的角焊缝正反成型良好，如图4、5、8所示，采用常规埋弧焊焊接得到普通钢板，如图6、7所示，正面成形，反面未熔透)，第一试验钢板、第二试验钢板相较于普通钢板，焊缝熔深符合设计要求，焊缝无焊接缺陷，符合设计要求。
由于闭口纵肋1在桥梁中时起到一个加强筋的作用，主要是增强桥面板2的强度以及耐疲劳性，桥梁在使用过程中(尤其是公铁两用桥梁)，桥面板2需要承受极大地重载、动载，所产生极大地疲劳应力直接反应到桥面板2与加强筋闭口纵肋1上。现有焊接工艺对于闭口纵肋1焊接很难以达到设计要求的80％熔透焊接，大多数真正实现的只有50％左右的熔透焊接。即使达到80％熔透，焊缝在不熔透的情况下，依然得不到很好的抗疲劳性。极易产生疲劳裂纹，一旦产生疲劳裂纹，其可以迅速增大，甚至可能拉跨主桥面板2，极大降低使用年限，更严重者甚至造成重大事故。那么使用全熔透焊接，焊缝拥有很好的抗疲劳性，极大地降低了疲劳裂纹产生的倾向，大大增加桥梁的使用寿命。
这里说明的设备数量和处理规模是用来简化本发明的说明的。对本发明的应用、修改和变化对本领域的技术人员来说是显而易见的。尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的细节。
Claims (5)
1.一种闭口纵肋与桥面板连接角缝单面熔透焊的施工方法，其特征在于，包括以下施工步骤：
步骤一、将多个闭口纵肋与桥面板组装形成桥面板单元，并安放在板单元焊接生产线的胎架上，转动胎架使桥面板单元处于水平状态，每个闭口纵肋与桥面板限定一狭小空间，于内部的两个纵向角缝安装焊接衬垫；
步骤二、转动胎架，使桥面板单元的位于外部的一侧纵向角缝处于亚船形的焊接位置，并采用双丝埋弧焊进行焊接，实现单面焊双面成型；
步骤三、转动胎架，使桥面板单元的位于外部的另一侧纵向角缝处于亚船形的焊接位置，并采用双丝埋弧焊进行焊接，实现单面焊双面成型；
步骤四、转动胎架使之处于水平状态，并移除完成焊接的桥面板单元；
其中，所述焊接衬垫包括耐高温衬垫材料和柔性包覆层，位于狭小空间内部的纵向角缝的柔性包覆层在电弧高温冲击下熔化，所述耐高温衬垫材料在电弧高温冲击下部分表面熔化强制并保护焊缝成型；
所述耐高温衬垫材料为颗粒烧结焊剂，所述柔性包覆层为厚度0.2～2mm的玻璃纤维布管，颗粒烧结焊剂包括以下质量百分比的组分：SiO2：25％～35％、Al2O3：2％～8％、MgO：25％～35％、TiO2：10％～20％、ZrO2：4％～10％、CaO：5％～10％、以及K2O+NaO+Fe2O3：5％～10％。
2.如权利要求1所述的闭口纵肋与桥面板连接角缝单面熔透焊的施工方法，其特征在于，焊接采用双丝埋弧焊配合埋弧焊焊剂，埋弧焊焊剂包括以下质量百分比的组分：MgO：10％～15％、CaO：2％～5％、CaF2：10％～15％、MnO：10％～15％、Al2O3：30％～40％、TiO：1～5％、SiO2：19％～22％、以及SiFe：2％～5％；
前焊丝、后焊丝材质的成分范围为：C≤0.12、Mn：0.3-2.1、Si：0.03-0.95、Cr≤0.2、Ni≤0.3、Cu≤0.2、S≤0.035、P≤0.035，前焊丝直径为1.2～5.0mm、后焊丝直径为1.2～5.0mm，前焊丝和后焊丝间距为15～45mm。
3.如权利要求1所述的闭口纵肋与桥面板连接角缝单面熔透焊的施工方法，其特征在于，安装焊接衬垫的具体方式为：采用电驱动的自动顶紧小车于桥面板单元的狭小空间沿纵向行走，两侧用顶紧轮将焊接衬垫固定在内部的纵向角缝并顶紧，焊接作业与自动顶紧小车行走同步进行。
4.如权利要求1所述的闭口纵肋与桥面板连接角缝单面熔透焊的施工方法，其特征在于，安装焊接衬垫的具体方式为：采用液压驱动或弹性力驱动的顶紧装置于桥面板单元的狭小空间沿纵向铺设，两侧用带磁性或弹夹的直钢柱固定住焊接衬垫，焊接衬垫为条状或绳状，将其固定在内部的纵向角缝并顶紧。
5.如权利要求1所述的闭口纵肋与桥面板连接角缝单面熔透焊的施工方法，其特征在于，所述耐高温衬垫材料为耐1320℃以上的衬垫材料。
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