CN113145992B - 一种u肋嵌补段全熔透焊接工艺方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种嵌补段全熔透焊接工艺方法，其步骤包括开设手孔、内贴角衬垫、钢衬垫、陶瓷衬垫，而后对嵌补段实施气体保护焊。本发明实现了嵌补段与桥面板的全熔透焊接，同时减少嵌补段与U肋对接焊缝钢衬垫的使用，降低钢衬垫对疲劳性能的影响，适用于钢桥正交异性桥面板嵌补段的全熔透焊接；并且，衬垫的材料结构设计可等效为嵌补段的焊接导流板结构，由衬垫部位提供导磁作用并降低附近空间的磁通密度，使电弧朝向衬垫位置偏移并形成由坡口缝隙深处至表面的高质量全熔透焊缝，有效抑制了磁偏吹及未熔透现象，保障正交异性桥面板嵌补段部位的焊接力学性能；本发明所制成的焊缝完整度高，经过酸性溶液检测耐腐蚀性，具有较高的安全性及耐用性能。

Description

一种U肋嵌补段全熔透焊接工艺方法

技术领域

本发明涉及钢桥正交异性桥面板U肋全熔透的焊接工艺方法，尤其是一种针对U肋嵌补段位置全熔透的焊接方法。

背景技术

正交异性桥面板为钢结构桥梁上应用最广泛的结构，具有承载能力强、造型美观、经济性好等众多优点，但经常发生疲劳裂纹问题，其中桥面板与U肋角焊缝部位裂纹最为典型。为了改善桥面板与U肋连接处的疲劳性能，国外专家学者开展了大量研究工作。日本学者Miki采用有限元方法对该构造进行了有限元分析，并采用缺口应力概念，研究发现熔透率越大，焊根处缺口应力越小，日本早期进行了一些U肋双面焊接的研究工作，并研发一些U肋内焊设备，但没有推广应用。加拿大学者Connor的研究成果基认为纵肋与桥面板连接处疲劳寿命与角焊缝未熔透区域的大小密切相关，如果未熔透区域较大，则不论面板多厚，此处的疲劳裂纹都会产生。其他西方国家针对正交异性桥面板U肋焊缝的疲劳性，以及熔透深度、施焊方式等方式展开了大量的研究，普遍对于U肋全熔透焊接研究较少，未推广应用。

我国上世纪90年代开始建造大批正交异性钢桥面板钢箱梁桥，随着时间的增长，陆续出现疲劳裂纹问题，且呈现出多发态势，引起钢桥业内人士的高度关注。有统计显示，U形肋角焊缝焊根或焊趾部位裂纹占比最高，并且裂纹会向面板延伸，造成面板开裂、漏水，对桥梁的寿命和行车安全造成严重危害。近年来国内院校、企业的研究人员在提高U形肋角焊缝部位的疲劳性能方面进行了大量的探索和实践，人们提出了很多方法，比如增大U肋角焊缝的焊角尺寸，在U肋内部焊角角焊缝实现双面焊接等。U肋全熔透焊接也是一种解决正交异性桥面板疲劳问题的方法，现各桥梁厂已采用U肋全熔透焊接技术，实现板单元的全熔透焊接，但现场U肋嵌补段处熔透焊未能实现。同时，由于现场操作的偏差，如果焊接电弧在对接坡口处出现磁偏吹现象，则会造成嵌补段与面板、U肋对接部位的内侧形成未焊透区域，进而降低整体全熔透焊接的力学性能，使嵌补段与相关部件的对接部位出现应力集中、疲劳裂纹的隐患，因此，需要一种新的技术方案加以改进。

发明内容

针对上述现有技术中的不足，本发明公开一种嵌补段全熔透焊接工艺方法，适用于钢桥正交异性桥面板嵌补段的全熔透焊接，有效提高U肋在嵌补段区域进行全熔透焊的焊接质量及疲劳性能。

本发明通过以下技术方案实施：

一种嵌补段全熔透焊接工艺方法，所述工艺方法包括如下步骤：

S1：在与U肋对接的嵌补段底面开设圆端形手孔，手孔尺寸范围为100×200mm～150×300mm；

S2：在嵌补段与桥面板角接处，操作者通过伸入手孔贴上陶质角衬垫，嵌补段端头面与桥面板之间夹角的角度范围为45°～50°；

S3：圆弧段以下采用钢衬垫，钢衬垫在单元件制造时安装完成；

S4:在嵌补段与U肋对接处，操作者通过伸入手孔贴上陶质衬垫，陶质衬垫贴着圆弧段的钢衬垫以上；

S5：嵌补段与桥面板的对接坡口缝隙采用气体保护焊，气保焊丝采用E501T-1(φ1.2mm)，气体保护焊的工艺参数保持电流为180A～220A，电压为25V～28V，焊速为30cm/min～35cm/min，保护气体流量为20L/min～25L/min；

S6：嵌补段与U肋的对接坡口缝隙采用气体保护焊，气保焊丝采用E501T-1(φ1.2mm)，气体保护焊的工艺参数保持电流为180A～220A，电压为25V～28V，焊速为30cm/min～35cm/min，保护气体流量为20L/min～25L/min，焊接顺序为：

(1)嵌补段与U肋侧边的对接坡口缝隙；

(2)嵌补段与U肋底边的对接坡口缝隙。

优选的，本发明还包括以下步骤：

S7：按步骤S1-S6中所描述的相同焊接工艺，以嵌补段、U肋试验段、试验桥面板制成对比试块，将对比试块置入浓度为4％的硝酸酒精溶液，充分浸泡10min后取出，对其焊接断面进行拍摄取样，将取样图作为重复作业的参照标准。

优选的，步骤S2中所述角衬垫型号为TG2.34J(α)，α角度为嵌补段端头面与桥面板之间夹角的角度，其范围为45°～50°。

优选的，步骤S4中所述嵌补段与所述U肋对接时，U肋的对接边沿已加工处理并形成45°的焊接坡口。

优选的，步骤S4中所述嵌补段与所述U肋对接时，嵌补段与U肋间隙保持为壁厚的70％～80％。

优选的，步骤S2中所述角衬垫材质为磁性陶瓷，进而在步骤S5中所述嵌补段与所述桥面板的对接坡口缝隙进行气体保护焊时，利用角衬垫磁性陶瓷材质提供的导磁性能将其等效为焊接引流板，从而降低角衬垫附近的空间磁通密度并使焊接电弧朝向坡口缝隙的深处偏移，以此抑制焊接电弧朝坡口两侧方向形成磁偏吹的可能，并形成由坡口缝隙深处至表面的全熔透焊缝。

优选的，步骤S3中所述钢衬垫材质为马氏体或铁素体不锈钢，步骤S4中所述陶瓷衬垫材质为磁性陶瓷，进而在步骤S6中所述嵌补段与所述U肋进行气体保护焊时，利用钢衬垫马氏体或铁素体不锈钢的导磁性，以及陶瓷衬垫磁性陶瓷材质的导磁性，将两者等效为焊接引流板，从而降低钢衬垫、陶质衬垫附近的空间磁通密度并使焊接电弧朝向坡口缝隙的深处偏移，以此抑制焊接电弧朝坡口两侧方向形成磁偏吹的可能，并形成由坡口缝隙深处至表面的全熔透焊缝。

本发明的有益效果是：

1.本发明在嵌补段底部开设合适尺寸的圆形端手孔，在U肋角部贴陶质角衬垫，U肋对接焊缝在圆弧段以上贴陶质衬垫，圆弧段以下贴钢衬垫，实现了嵌补段与桥面板的全熔透焊接，同时减少嵌补段与U肋对接焊缝钢衬垫的使用，降低钢衬垫对疲劳性能的影响；并且，焊接顺序及侧边陶质衬垫的结构设计可有效保障焊接铁水的流动性，并以底部钢衬垫挂住铁水形成均匀牢固的对接结构，具有较高的实用价值。

2.本发明通过将角衬垫、钢衬垫及陶质衬垫全部设计为导磁材质，形成嵌补段对接缝隙内层的导流板结构，当焊接电弧因磁偏吹效应朝向对接坡口缝隙两侧偏移时，由衬垫部位提供导磁作用并降低附近空间的磁通密度，从而引起空间磁感线分布的偏差并使电弧朝向衬垫位置所处的坡口缝隙深处进行偏移，形成由坡口缝隙深处至表面的高质量全熔透焊缝，有效抑制了磁偏吹及未熔透现象，保障正交异性桥面板嵌补段部位的焊接力学性能。

3.本发明所制成的焊缝完整度高，经过酸性溶液检测耐腐蚀性，其全熔透焊缝的力学性能所受酸蚀影响较小，适用于腐蚀大气环境下的长期使用，解决了正交异性桥面板在嵌补段部位的熔透难题，保障了正交异性桥面板的安全性及耐用性能。

附图说明

图1是本发明中嵌补段的仰视图；

图2是图1的剖视图；

图3是本发明中嵌补段安装衬垫后的剖视图；

图4是本发明中嵌补段与桥面板之间的对接示意图；

图5是本发明中嵌补段与U肋底边的对接示意图；

图6是本发明中嵌补段与U肋侧边的对接示意图；

图7是本发明中嵌补段与桥面板之间焊缝的宏观酸蚀图；

图8是本发明中嵌补段与U肋底边焊缝的宏观酸蚀图；

图9是本发明中嵌补段与U肋侧边焊缝的宏观酸蚀图；

图10是本发明中未设置衬垫的对比例焊接示意图；

图11是本发明中角衬垫导引焊接电弧的状态示意图；

图12是本发明中陶质衬垫、钢衬垫导引焊接电弧的状态示意图；

图中：1-桥面板，2-U肋，3-嵌补段，3a-手孔，4-角衬垫，5-钢衬垫，6-陶质衬垫。

具体实施方式

下面结合说明书附图及实施例对本发明作进一步的详细描述。

实施例一

本实施例提供一种嵌补段3全熔透焊接工艺方法，所述工艺方法包括如下步骤：

S1：在与U肋2对接的嵌补段3底面开设圆端形手孔3a(如图1-2所示)，手孔3a尺寸为100×200mm，以利于操作者手掌穿入、穿出；

S2：在嵌补段3与桥面板1角接处，操作者通过伸入手孔3a贴上陶质角衬垫4(如图4所示)，角衬垫4型号为TG2.34J(α)，α角度为U肋2与桥面板1角度，面板厚度12mm，U肋2与桥面板1坡口角度为50°；

S3：圆弧段以下采用钢衬垫5，钢衬垫5在单元件制造时安装完成(如图5所示)；

S4:在嵌补段3与U肋2对接处，操作者通过伸入手孔3a贴上陶质衬垫6，陶质衬垫6贴在圆弧段的钢衬垫5以上(如图6所示)，同时，U肋2的对接边沿已加工处理并形成45°的焊接坡口，由于嵌补段3、U肋2的设计壁厚皆为8mm，两者间隙保持为其壁厚的75％(6mm)；

完成衬垫装配后的结构如图3所示；

S5：嵌补段3与桥面板1的对接坡口缝隙采用气体保护焊，气保焊丝采用E501T-1(φ1.2mm)，气体保护焊的工艺参数保持电流为180A，电压为25V，焊速为30cm/min，保护气体流量为20L/min；

S6：嵌补段3与U肋2的对接坡口缝隙采用气体保护焊，气保焊丝采用E501T-1(φ1.2mm)，气体保护焊的工艺参数保持电流为180A，电压为25V，焊速为30cm/min，保护气体流量为20L/min，焊接顺序为：

(1)嵌补段3与U肋2侧边的对接坡口缝隙；

(2)嵌补段3与U肋2底边的对接坡口缝隙。

经本步骤所述的焊接步骤，由于U肋2侧边先于底边焊接，侧边的陶质衬垫6可有效保障焊接铁水的流动性，并以底部钢衬垫5挂住铁水形成均匀牢固的对接结构。

采用本实施例所述工艺操作焊接方法如下表：

采用本实施例所述工艺焊接接头的力学性能测试结果如下：

经测试，焊接结构符合正交异性桥面板的使用性能要求。

实施例二

本实施例与实施例一的区别在于手孔3a尺寸、焊接电流、电压、焊速及气体流量的不同，包括如下步骤：

S1：在与U肋2对接的嵌补段3底面开设圆端形手孔3a(如图1-2所示)，手孔3a尺寸为150×300mm，以利于操作者手掌穿入、穿出；

S2：在嵌补段3与桥面板1角接处，操作者通过伸入手孔3a贴上陶质角衬垫4，角衬垫4型号为TG2.34J(α)，α角度为U肋2与桥面板1角度，面板厚度12mm，U肋2与桥面板1坡口角度为50°(如图4所示)；

S3：圆弧段以下采用钢衬垫5，钢衬垫5在单元件制造时安装完成(如图5所示)；

S4:在嵌补段3与U肋2对接处，操作者通过伸入手孔3a贴上陶质衬垫6，陶质衬垫6贴在圆弧段的钢衬垫5以上(如图6所示)，同时，U肋2的对接边沿已加工处理并形成45°的焊接坡口，由于嵌补段3、U肋2壁厚皆为8mm，两者间隙保持为其壁厚的75％(6mm)；

完成衬垫装配后的结构如图3所示；

S5：嵌补段3与桥面板1的对接坡口缝隙采用气体保护焊，气保焊丝采用E501T-1(φ1.2mm)，气体保护焊的工艺参数保持电流为220A，电压为28V，焊速为35cm/min，保护气体流量为25L/min；

S6：嵌补段3与U肋2的对接坡口缝隙采用气体保护焊，气保焊丝采用E501T-1(φ1.2mm)，气体保护焊的工艺参数保持电流为220A，电压为28V，焊速为35cm/min，保护气体流量为25L/min，焊接顺序为：

(1)嵌补段3与U肋2侧边的对接坡口缝隙；

(2)嵌补段3与U肋2底边的对接坡口缝隙。

采用本实施例所述工艺焊接接头的力学性能测试结果如下：

经测试，焊接结构符合正交异性桥面板的使用性能要求。

实施例三

本实施例与实施例一的区别在于：增加了腐蚀检测步骤S7，所述步骤S7工艺方法如下：

S7：按实施例一步骤S1-S6中所描述的相同工艺，以嵌补段3、U肋2试验段、试验桥面板1焊接制成对比试块，将对比试块置入浓度为4％的硝酸酒精溶液，充分浸泡10min后取出，对其焊接断面进行拍摄取样，将取样图作为重复作业的参照标准。

经过本实施例中步骤S7的腐蚀检验，对比试块受到酸性腐蚀的状态如图7-9所示。由于采用与步骤S1-S6相同工艺，图7可反应嵌补段3与桥面板1之间焊缝的宏观酸蚀状况、图8可反应嵌补段3与U肋2侧边之间焊缝的宏观酸蚀状况、图9可反应嵌补段3与U肋2底边之间焊缝的宏观酸蚀状况(底板为钢衬垫5)。

由腐蚀检测试验的取样图证明，经过4％硝酸酒精溶液浸泡10min后取出采样，对比试块的全熔透焊缝结构完整，材料力学性能基本不受影响。

对比例一

本对比例提供了嵌补段3与U肋2之间未设置角衬垫4、钢衬垫5而直接进行焊接的对比案例，包括以下步骤：

S1：如图10所示，在嵌补段3与U肋2对接处，将U肋2的对接边沿加工处理并形成45°的焊接坡口，由于嵌补段3、U肋2的设计壁厚皆为8mm，两者间隙保持为其壁厚的75％(6mm)；

S2：将焊枪及焊条置于对接缝隙的上方实施气体保护焊，气保焊丝采用E501T-1(φ1.2mm)，气体保护焊的工艺参数保持电流为180A，电压为25V，焊速为30cm/min，保护气体流量为20L/min。

在实施本对比例所述步骤S2的焊接作业时，当拉弧长度、电流大小或地线位置出现偏差，由于嵌补段3、U肋2所使用钢材皆为良导磁体，焊接电弧所形成的磁感线将趋向于磁阻较小的通路进行传播，使较多的磁感线集中于缝隙两侧的钢材板体之内，电弧周围空间的磁感线密度显著降低，破坏了空间磁感线分布的均匀性，使电弧极大概率偏向两侧钢材板体，极易引起磁偏吹现象(如图10所示电弧轨迹)，进而造成缝隙底部出现未焊透区域，降低焊缝力学性能。

实施例四：

本实施例与实施例一的区别在于：限定了角衬垫4、钢衬垫5及陶质衬垫6的材质，并形成针对焊接电弧的导流板结构，其工艺方法包括如下步骤：

S1：在与U肋2对接的嵌补段3底面开设圆端形手孔3a(如图1-2所示)，手孔3a尺寸为100×200mm，以利于操作者手掌穿入、穿出；

S2：在嵌补段3与桥面板1角接处，操作者通过伸入手孔3a贴上磁性陶瓷材质的角衬垫4(如图4所示)，角衬垫4型号为TG2.34J(α)，α角度为U肋2与桥面板1角度，面板厚度12mm，U肋2与桥面板1坡口角度为50°；

S3：圆弧段以下采用马氏体不锈钢材质的钢衬垫5，钢衬垫5在单元件制造时安装完成(如图5所示)；

S4:在嵌补段3与U肋2对接处，操作者通过伸入手孔3a贴上磁性陶瓷材质的陶质衬垫6，陶质衬垫6贴在圆弧段的钢衬垫5以上(如图6所示)，同时，U肋2的对接边沿已加工处理并形成45°的焊接坡口，由于嵌补段3、U肋2壁厚皆为8mm，两者间隙保持为其壁厚的75％(6mm)；

完成衬垫装配后的结构如图3所示；

S5：嵌补段3与桥面板1的对接坡口缝隙采用气体保护焊，气保焊丝采用E501T-1(φ1.2mm)，气体保护焊的工艺参数保持电流为180A，电压为25V，焊速为30cm/min，保护气体流量为20L/min；如图11所示，由于角衬垫4材质为磁性陶瓷，进而在嵌补段3与桥面板1的对接坡口缝隙进行气体保护焊时，利用角衬垫4磁性陶瓷材质提供的导磁性能将其等效为焊接引流板，从而降低角衬垫4附近的空间磁通密度，根据磁偏吹原理，在不对称磁场所产生的洛伦兹力作用下使焊接电弧朝向坡口缝隙的深处偏移，以此抑制焊接电弧朝坡口两侧方向形成磁偏吹的可能，并形成由坡口缝隙深处至表面的全熔透焊缝；

S6：嵌补段3与U肋2的对接坡口缝隙采用气体保护焊，气保焊丝采用E501T-1(φ1.2mm)，气体保护焊的工艺参数保持电流为180A，电压为25V，焊速为30cm/min，保护气体流量为20L/min，焊接顺序为：

(1)嵌补段3与U肋2侧边的对接坡口缝隙；

(2)嵌补段3与U肋2底边的对接坡口缝隙；

如图12所示，由于钢衬垫5、陶质衬垫6皆为导磁性材料，进而在嵌补段3与U肋2进行气体保护焊时，利用钢衬垫5马氏体或铁素体不锈钢的导磁性，以及陶质衬垫6磁性陶瓷材质的导磁性，将两者等效为焊接引流板，从而降低钢衬垫5、陶质衬垫6附近的空间磁通密度，根据磁偏吹原理，在不对称磁场所产生的洛伦兹力作用下使焊接电弧朝向坡口缝隙的深处偏移，以此抑制焊接电弧朝坡口两侧方向形成磁偏吹的可能，并形成由坡口缝隙深处至表面的全熔透焊缝。

以上所述，仅为本发明的优选实施例，并不作为本发明的限定范围，应当指出，对于本领域内的普通技术人员，在不脱离本发明权利要求书的特征内容下，所做出的其他修改及等同替换，都应落入本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种嵌补段全熔透焊接工艺方法，其特征在于，所述工艺方法包括如下步骤：

S1：在与U肋对接的嵌补段底面开设圆端形手孔，手孔尺寸范围为100×200mm～150×300mm；

S2：在嵌补段与桥面板角接处，操作者通过伸入手孔贴上陶质角衬垫，嵌补段端头面与桥面板之间夹角的角度范围为45°～50°，所述角衬垫材质为磁性陶瓷；

S3：圆弧段以下采用钢衬垫，钢衬垫在单元件制造时安装完成，所述钢衬垫材质为马氏体或铁素体不锈钢；

S4:在嵌补段与U肋对接处，操作者通过伸入手孔贴上陶质衬垫，陶质衬垫贴着圆弧段的钢衬垫以上，所述陶质衬垫材质为磁性陶瓷；

S5：嵌补段与桥面板的对接坡口缝隙采用气体保护焊，气保焊丝采用E501T-1，气体保护焊的工艺参数保持电流为180A～220A，电压为25V～28V，焊速为30cm/min～35cm/min，保护气体流量为20L/min～25L/min，利用角衬垫磁性陶瓷材质提供的导磁性能将其等效为焊接引流板，从而降低角衬垫附近的空间磁通密度并使焊接电弧朝向坡口缝隙的深处偏移，以此抑制焊接电弧朝坡口两侧方向形成磁偏吹的可能，并形成由坡口缝隙深处至表面的全熔透焊缝；

S6：嵌补段与U肋的对接坡口缝隙采用气体保护焊，气保焊丝采用E501T-1，气体保护焊的工艺参数保持电流为180A～220A，电压为25V～28V，焊速为30cm/min～35cm/min，保护气体流量为20L/min～25L/min，焊接顺序为：

(1)嵌补段与U肋侧边的对接坡口缝隙；

(2)嵌补段与U肋底边的对接坡口缝隙；

所述嵌补段与所述U肋进行气体保护焊时，利用钢衬垫的导磁性，以及陶质衬垫磁性陶瓷材质的导磁性，将两者等效为焊接引流板，从而降低钢衬垫、陶质衬垫附近的空间磁通密度并使焊接电弧朝向坡口缝隙的深处偏移，以此抑制焊接电弧朝坡口两侧方向形成磁偏吹的可能，并形成由坡口缝隙深处至表面的全熔透焊缝。

2.如权利要求1所述的一种嵌补段全熔透焊接工艺方法，其特征在于，还包括以下步骤：

S7：按步骤S1-S6中所描述的相同焊接工艺，以嵌补段、U肋试验段、试验桥面板制成对比试块，将对比试块置入浓度为4％的硝酸酒精溶液，充分浸泡10min后取出，对其焊接断面进行拍摄取样，将取样图作为重复作业的参照标准。

3.如权利要求1所述的一种嵌补段全熔透焊接工艺方法，其特征在于：步骤S2中所述角衬垫型号为TG2.34J(α)，α角度为嵌补段端头面与桥面板之间夹角的角度，其范围为45°～50°。

4.如权利要求1所述的一种嵌补段全熔透焊接工艺方法，其特征在于：步骤S4中所述嵌补段与所述U肋对接时，U肋的对接边沿已加工处理并形成45°的焊接坡口。

5.如权利要求1所述的一种嵌补段全熔透焊接工艺方法，其特征在于：步骤S4中所述嵌补段与所述U肋对接时，嵌补段与U肋间隙保持为壁厚的70％～80％。

Images