CN108436320A - 一种u肋和正交异性板单元及其焊接制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种U肋和正交异性板单元及其焊接制造方法。所述U肋包括侧边腹板和顶部翼板，所述U肋的侧边腹板端头具有坡口和钝边，钝边厚度为3‑6mm。所述焊接制造方法包括以下步骤：设置U肋侧边腹板端头坡口和钝边；装配U肋和底板；分别对U肋的侧边腹板端头内侧和外侧采用埋弧焊工艺进行焊接。其能实现全熔透同时保证不会击穿熔池，大幅降低内角处应力集中从而提高耐疲劳性能，焊接质量优良，效率高。
Description
技术领域
本发明涉焊接领域，具体涉及一种U肋和正交异性板单元及其焊接制造方法。
背景技术
传统的正交异性桥面板由许多冷弯U肋2有序排列并焊接在桥面底板1上(如图9)，这种钢桥结构型式已有七十年的发展历程。正交异性钢桥面板因结构重量轻，施工周期短，在大垮径桥梁中得到广泛应用。而且高载荷桥梁设计建造是趋势。但从已建桥梁运营状态的表现来看，早期建成的桥梁陆续出现结构性疲劳开裂，抗疲劳性能令人堪忧，与之俱来的是桥梁维护成本的大幅增加，正交异性钢桥面板的耐久性问题已严重制约其进一步的发展应用，甚至部分桥梁设计师不惜采用结构重量更大、建设成本更高的钢筋混凝土桥面取代正交异性钢桥面板。
传统的U肋板单元，U型肋由6-10mm等厚的钢板冷弯加工成型，其与桥面底板的焊接通常为从外侧单面施焊，单面焊实现60％～80％的熔深(如图6)，U肋一般具有未熔合部分，该未熔合部分本身形成一个天然的初始裂纹，成为疲劳裂缝源，在车轮荷载反复作用下，导致顶板与U肋焊缝处容易疲劳开裂。即使采用双面焊，其内侧无熔深正面有较大熔深，也很难完全熔合(如图7)，同样会出现上述问题。因焊根位置应力集中导致桥梁严厉疲劳裂纹病害，其不仅危害最大，难以甚至无法修复，并且该裂纹数量最多，据统计占70％以上，给社会造成了极大损失，同时存在严重的安全隐患。
即使利用专用焊接设备在U肋板内侧进行角焊缝的焊接，采用双侧角焊缝形式实现了全熔透焊接(如图8)，具体工艺为，8mm厚U肋板外侧开7mm深度的坡口，保留1-2mm的钝边，在内侧采用常规的气保焊工艺，在外侧采用实芯焊丝打底、金属粉芯或药芯焊丝盖面两道焊工艺，满足6.4mm熔深的焊缝质量要求。但是该双面焊坡口过大，钝边较小，导致焊缝易烧穿焊漏，熔深不稳定。而且现有技术中气保焊焊接效率低。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供一种U肋和正交异性板单元及其焊接制造方法。其能实现全熔透同时保证不会击穿熔池，大幅降低内角处应力集中从而提高耐疲劳性能，焊接质量优良，效率高。
为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：一种正交异性板单元的U肋，所述U肋包括侧边腹板和顶部翼板，其特征在于，所述U肋的侧边腹板端头具有坡口和钝边，所述钝边的厚度为3-6mm。
具体的，所述U肋侧边腹板厚度为6-8mm，所述坡口设在侧边腹板外侧，坡口高度为3-5mm；或者，所述U肋侧边腹板厚度大于8mm，所述坡口设在侧边腹板外侧和内侧，外侧坡口高度为3-8mm，内侧坡口高度为3-7mm，内侧坡口深度为3-5mm。
具体的，所述U肋的侧边腹板端头的内侧坡口与侧边腹板的内侧面之间设置垂直于底板的垂直面。
具体的，所述U肋的侧边腹板端头最大厚度B1大于8mm，所述坡口设在侧边腹板外侧和内侧，外侧坡口高度为3-8mm，内侧坡口高度为3-7mm，内侧坡口深度为3-5mm，钝边厚度为3-6mm。
本发明还提供一种正交异性板单元，包括如上所述的U肋，还包括底板，所述正交异性板单元在U肋的侧边腹板端头内侧和外侧与底板焊接。
具体的，所述U肋侧边腹板端头与所述底板的焊缝形状为喇叭口型。
本发明还提供一种一种正交异性板单元的焊接制造方法，所述正交异性板单元为如上所述的正交异性板单元，所述焊接制造方法包括以下步骤：设置U肋侧边腹板端头坡口和钝边；装配U肋和底板；分别对U肋的侧边腹板端头内侧和外侧采用埋弧焊工艺进行焊接。
具体的，U肋的侧边腹板端头内侧埋弧焊工艺参数为：采用直径1.6mm焊丝，焊接电流为385～450A，焊接电压为29～33V，焊接速度为420～520mm/min；U肋的侧边腹板端头外侧埋弧焊工艺参数为：采用直径3.2mm焊丝，焊接电流为550～620A，焊接电压为29～35V，焊接速度为550～650mm/min。
具体的，U肋的侧边腹板端头最大厚度B1大于8mm，U肋的侧边腹板端头外侧埋弧焊采用双丝焊，前丝直径1.6-3.2mm，后丝直径2.0-4.0mm。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)增加U肋钝边厚度，避免了因U肋钝边制造误差而导致的击穿焊漏缺陷，同时，减少了焊缝填充量，节约了焊材，降低热输入量。
(2)采用埋弧焊双面焊，保证熔深从而实现焊缝全熔透，大幅度提高U肋与钢桥面板连接处的耐疲劳性能，焊接工效显著提高。
(3)对于较厚U肋，开设U肋内坡口，有助于双面焊缝对称和熔透焊，保证焊接质量。
(4)通过在U肋侧边腹板端头内侧坡口处设置垂直于底板的垂直面，焊接时，形成喇叭口型焊缝，内侧腹板焊趾可以实现平缓圆滑过渡，避免应力集中，有效提高焊趾的抗疲劳性。
(5)热轧U肋对U肋厚度可以任意调整，将U肋腹板端头厚度设计到12-16mm，适应未来高载荷结构设计。而U肋与钢桥面板的连接因焊缝变厚，气保焊工艺不适合，气保焊需要多层多道才能填满焊缝，工件变形和工效都不能忍受气保焊工艺，而采用双面埋弧焊工艺能够实现一面一道完成。
(6)理论计算和当前试验成果表明，采用本发明的坡口形式和埋弧焊双面焊连接与传统的焊接方法相比，其性能远远优于现有技术中的小钝边大坡口的传统焊接，本发明的正交异性钢桥面板结构及其焊接制造方法能满足超高荷载桥梁设计建造的需求。
附图说明
图1为本发明的正交异性板单元的截面示意图；
图2为本发明的一种U肋的截面示意图；
图3为本发明的另一种U肋的截面示意图；
图4为图1的A部的局部放大示意图；
图5为本发明的优选的U肋的结构示意图；
图6为现有技术中的单面气保焊正交异性板单元的示意图；
图7为现有技术中的双面气保焊正交异性板单元的示意图；
图8为现有技术中的双面埋弧焊正交异性板单元的示意图；
图9为正交异性桥面板示意图；
图10为面板实际变形示意图；
图11为试件工装示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，正交异性板单元具有底板1，至少一个U肋2，其横断口为半圆形或类U形，其开口朝向所述底板表面，且焊接在所述底板上。U肋具有翼板210和腹板220，腹板220在U肋两侧，翼板210在U肋两腹板220之间，即倒置的U肋顶部。
图2为一种U肋的实施例示意图。U肋2的侧边腹板端头具有坡口201和钝边202，采用大钝边，U肋厚度B为6-8mm，钝边厚度D为厚度B的50％以上。具体的，U肋厚度B为6-8mm，钝边厚度D为3-6mm。坡口201设在侧边腹板220外侧，坡口高度H为3-5mm，坡口深度为W。
图3为正交异性板单元的另一种U肋实施例的示意图，该U肋厚度B大于8mm，优选为10-16mm。坡口设在侧边腹板外侧和内侧，采用大钝边，具体的，具有外侧坡口211和内侧坡口221，外侧坡口高度H1为3-8mm，坡口深度为W1。内侧坡口高度H2为3-7mm,坡口深度为W2为3-5mm。钝边厚度D为3-6mm。
图4为一种正交异性板单元，包括如上的U肋2，还包括底板1，所述正交异性板单元在U肋2的侧边腹板220端头内侧和外侧与底板焊接。所述U肋侧边腹板端头与所述底板的焊缝形状为喇叭口型。具体的，U肋侧边腹板220从端头焊缝处至底板1上的内焊趾4和外焊趾3，整体断面尺寸逐步增大，呈内凹的圆弧状，具有内侧焊缝和外侧焊缝的端头整体为喇叭口型。
坡口开口小，焊接熔深浅达不到全熔透效果或接近全熔透的效果。坡口开口太大，U肋侧边腹板220上焊趾容易产生咬边，使抗疲劳性能严重下降。本发明采用大钝边，钝边厚度D为3-6mm，既能保证焊接达到尽可能大的熔深，又能满足平位置焊U肋侧边腹板焊趾不出现咬边。当U肋下部厚边大于12mm厚度时，外角坡口可以相应增大，使中间钝边控制在6mm左右。对于U肋厚度B大于8mm的较厚板，内角开坡口后，内角焊缝不仅熔深大而且表面成形更加合理美观，大幅降低内角处应力集中从而提高耐疲劳性能。
本发明还提供一种优选的方案，如图5所示，U肋2的侧边腹板220端头具有坡口211、221和钝边202，侧边腹板220端头最大厚度为B1，U肋2与底板1装配时本身具有一定的倾角，即侧边腹板220内侧面2201与底板1之间具有一定倾角。在侧边腹板220端头的内侧坡口221处具有垂直于底板1的垂直面222。该垂直面222与侧边腹板220内侧面2201采用圆弧过渡。该圆弧的圆弧半径R大小没有特别限定。由于U肋装配时本身具有一定的倾角，该倾角与垂直面夹角一般为12°。U肋外侧角缝焊容易形成圆滑过渡的外焊缝。而内侧则相反，用现有的方法很难形成内凹的圆滑过渡焊缝，一般形成凸起焊缝。通过在U肋侧边腹板端头内侧设置坡口并在坡口处设置垂直面，焊接时，可以可靠地形成喇叭口型焊缝，焊趾可以实现平缓圆滑过渡，避免应力集中，有效提高焊趾的抗疲劳性能。需要说明的是，上述垂直面222与底板1的垂直并不需要严格意义上的90°，只需要大致垂直，或者接近于垂直即可。U肋2的侧边腹板220端头内侧和外侧与底板焊接。焊接完成之后，U肋侧边腹板端头与底板的焊缝为完整的喇叭口型(如图4所示)。
对于开坡口和钝边的大小，以U肋端头最大厚度B1为准，参照上述坡口形式。当U肋端头最大厚度为B1大于8mm时，坡口设在侧边腹板外侧和内侧，外侧坡口高度H1为3-8mm，内侧坡口高度H2为3-7mm，内侧坡口深度W2为3-5mm。钝边厚度D为3-6mm。
本发明还提供一种上述正交异性板单元的焊接制造方法，该焊接制造方法包括以下步骤：设置U肋侧边腹板端头坡口和钝边；装配U肋和底板；分别对U肋的侧边腹板端头内侧和外侧采用埋弧焊工艺进行焊接。
该正交异性板单元的U肋侧边腹板端头内侧埋弧焊工艺参数为：采用直径1.6mm焊丝，焊接电流为385～450A，焊接电压为29～33V，焊接速度为420～520mm/min。U肋的侧边腹板端头外侧埋弧焊工艺参数为：采用直径3.2mm焊丝，焊接电流为550～620A，焊接电压为29～35V，焊接速度为550～650mm/min。当U肋侧边腹板端头最大厚度B1大于8mm时，U肋的侧边腹板端头外侧埋弧焊采用双丝焊，前丝直径1.6-3.2mm，后丝直径2.0-4.0mm。
为了实现全熔透焊接，避免出现疲劳裂纹，优选U肋为热轧成型，热轧U肋材质均匀一致，在U肋与钢板装配之前，在U肋侧边腹板下端头开坡口。U肋坡口为机械加工。传统冷压折弯U肋两个圆弧折弯区存在冷弯塑性变形，材质***变脆，稍有表面刮伤或过热就容易出现疲劳裂纹。
为了证明本发明的效果，将本发明的正交异性钢桥面板单元与现有工程上采用其它坡口尺寸和焊接方法(对比例1-单面气保焊、对比例2-双面气保焊、对比例3-双面埋弧焊)得到的正交异性钢桥面板单元进行疲劳试验对比，其中，为了保证U肋板单元与实桥一致，所有的试验试件均模拟正交异性钢桥面板焊接，并从其大板块上切割下来，试件材料为Q345qD钢，试件设计主要参数为：
第一组：U肋侧边腹板厚度为8mm，宽300mm，高280mm，底板厚16mm，U肋与底板长度为300mm，底板宽度700mm。
第二组：U肋侧边腹板端头最大厚度为11mm(大厚度)，宽300mm，高280mm，底板厚16mm，U肋与底板长度为300mm，底板宽度700mm。
疲劳试验实验原理是模仿实桥在车轮交替载荷受力状态下，抗疲劳破坏的次数，如实桥状态，桥面板在上，U肋在下，U肋的顶部翼板固定在疲劳试验机基座上，由疲劳试验机从上往下加载P，。将轮载简化为集中载荷，作用于桥面，则面板实际变形如图10所示。
为模拟桥面板实际变形，对U肋与面板纵向焊缝进行焊缝垂直向和切向力的疲劳检验，其中垂直向采用现有T型接头拉伸工艺评定方式，切向力的疲劳检验采用如下方案。
如图11所示，在U肋接头(底板2)内侧端P2设置的滚动工装，限制端部横向位移和转角。外侧端P1设置加载夹头，施加载荷P。U肋1底端P3通过螺栓与基座固定。采用电阻应变片，测量距离焊趾一定位置处的应力水平，作为应力参考。以频率为5HZ，最大载荷向下3kN的正弦波进行疲劳实验。测量应变前，先来回加载几十次，以消除工装力。
实验例1
实验例1，如图2所示，U肋为平板冷弯成形，腹板厚度6mm。在外侧设置坡口，钝边厚度为4mm，坡口高度为5mm。在闭口U肋内角和外角处采用埋弧焊工艺进行平位置角焊接，外角焊肉与内角焊肉相交达到100％全熔透，形成U肋腹板下端与底板的焊缝连接形状为“喇叭口”型，形似树根状，该试验件1000万次不开裂，达到疲劳无限循环区不开裂。
实验例2
实施例2中，如图2所示，U肋为热轧成形，腹板厚度8mm。在外侧设置坡口，钝边厚度为5mm，坡口高度为5mm。在闭口U肋内角和外角处采用埋弧焊工艺进行平位置角焊接，外角焊肉与内角焊肉相交达到100％全熔透，形成U肋腹板下端与底板的焊缝连接形状为“喇叭口”型，形似树根状，该试验件1100万次不开裂，达到疲劳无限循环区不开裂。
实验例3
实施例3中，如图5所示，U肋为热轧成形，腹板端头最大厚度B1为11mm。在内侧和外侧设置坡口，钝边厚度为5mm，外侧坡口高度为5mm，内侧坡口高度为5mm，内侧坡口深3mm。在闭口U肋内角和外角处采用埋弧焊工艺进行平位置角焊接，外角焊肉与内角焊肉相交达到100％全熔透，形成U肋腹板下端与底板的焊缝连接形状为“喇叭口”型，形似树根状，该试验件1200万次不开裂，达到疲劳无限循环区不开裂。
实验例4
实施例4中，如图3所示，U肋为热轧成形，腹板端头最大厚度B1为13mm。在内侧和外侧设置坡口，钝边厚度为6mm，外侧坡口高度为6mm，内侧坡口高度为5mm，内侧坡口深4mm。在闭口U肋内角和外角处采用埋弧焊工艺进行平位置角焊接，外角焊肉与内角焊肉相交达到100％全熔透，形成U肋腹板下端与底板的焊缝连接形状为“喇叭口”型，形似树根状，该试验件1200万次不开裂，达到疲劳无限循环区不开裂。
对比例1
对比例1中，如图6所示，U肋为平板冷弯压制成形的等厚U肋，厚度均为6mm，焊接坡口为外侧52°坡口，钝边为2mm。在闭口U肋外角处采用单面气保焊进行船位置焊接，达到80％熔深。该试验件容易在底板和U肋之间的焊根处萌生裂纹而断裂，平均15万次出现开裂。
对比例2
对比例2中，如图7所示，U肋为平板冷弯压制成形的等厚U肋，厚度均为8mm，焊接坡口为外侧52°坡口，钝边为2mm；采用双面焊接工艺，在闭口U肋内角平位采用气保焊，再在闭口U肋外角进行船位置气保焊，实现双面焊，焊缝中心偏内角未熔透，该试验件在内外焊趾处或有焊接缺陷位置萌生裂纹，平均46万次开裂。
对比例3
对比例3中，如图8所示，U肋为压制成形的等厚U肋，厚度均为8mm，焊接坡口为外侧52°坡口，钝边为2mm；采用双面埋弧焊接工艺。首先在闭口U肋内角平位采用埋弧焊，再在闭口U肋外角进行平位置埋弧焊，实现100％全熔透。其中，普通等厚U肋2，底板1。该试验件平均600万次在U肋腹板颈部薄弱区萌生裂纹。
对上述四组焊接部件进行实验数据对比如下：
对比例1：平均15万次出现开裂；
对比例2：平均46万次出现开裂；
对比例3：600万次U肋腹板颈部薄弱区萌生裂纹；
实验例1：1000万次不开裂，达到疲劳无限循环区不开裂。
实验例2：1100万次不开裂，达到疲劳无限循环区不开裂。
实验例3：1200万次不开裂，达到疲劳无限循环区不开裂。
实验例4：1200万次不开裂，达到疲劳无限循环区不开裂。
疲劳试验结果虽然有较大的不确定性，但是悬殊很大的结果仍然具有技术支撑与指导作用。
通过将实验例1-4与对比例1-3对比可以发现本发明的U肋坡口形式实施埋弧焊全熔透焊接或内外角焊缝对称接近全熔透焊接后，其性能远远优于现有技术中的小钝边大坡口的焊接，本发明的正交异性钢桥面板结构及其焊接制造方法能满足超高荷载桥梁设计建造的需求。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种正交异性板单元的U肋，所述U肋包括侧边腹板和顶部翼板，其特征在于，所述U肋的侧边腹板端头具有坡口和钝边，所述钝边的厚度为3-6mm。
2.如权利要求1所述的U肋，其特征在于，所述U肋侧边腹板厚度为6-8mm，所述坡口设在侧边腹板外侧，坡口高度为3-5mm；或者，所述U肋侧边腹板厚度大于8mm，所述坡口设在侧边腹板外侧和内侧，外侧坡口高度为3-8mm，内侧坡口高度为3-7mm，内侧坡口深度为3-5mm。
3.如权利要求1-2任一项所述的U肋，其特征在于，所述U肋的侧边腹板端头的内侧坡口与侧边腹板的内侧面之间设置垂直于底板的垂直面。
4.如权利要求3所述的U肋，其特征在于，所述U肋的侧边腹板端头最大厚度B1大于8mm，所述坡口设在侧边腹板外侧和内侧，外侧坡口高度为3-8mm，内侧坡口高度为3-7mm，内侧坡口深度为3-5mm，钝边厚度为3-6mm。
5.一种正交异性板单元，其特征在于，包括权利要求1-4任一项所述的U肋，还包括底板，所述正交异性板单元在U肋的侧边腹板端头内侧和外侧与底板焊接。
6.如权利要求5所述的正交异性板单元，其特征在于，所述U肋侧边腹板端头与所述底板的焊缝形状为喇叭口型。
7.一种正交异性板单元的焊接制造方法，其特征在于，所述正交异性板单元为权利要求5所述的正交异性板单元，所述焊接制造方法包括以下步骤：设置U肋侧边腹板端头坡口和钝边；装配U肋和底板；分别对U肋的侧边腹板端头内侧和外侧采用埋弧焊工艺进行焊接。
8.根据权利要求7所述的正交异性板单元的焊接制造方法，其特征在于，U肋的侧边腹板端头内侧埋弧焊工艺参数为：采用直径1.6mm焊丝，焊接电流为385～450A，焊接电压为29～33V，焊接速度为420～520mm/min；U肋的侧边腹板端头外侧埋弧焊工艺参数为：采用直径3.2mm焊丝，焊接电流为550～620A，焊接电压为29～35V，焊接速度为550～650mm/min。
9.根据权利要求8所述的正交异性板单元的焊接制造方法，其特征在于，U肋的侧边腹板端头最大厚度B1大于8mm，U肋的侧边腹板端头外侧埋弧焊采用双丝焊，前丝直径1.6-3.2mm，后丝直径2.0-4.0mm。
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