内容提示：Welding Technology Vol．47 No．3 Mar. 2018钢 桥 U 肋 角 焊 缝 全 熔 透 焊 接 工 艺叶自强， 肖诗祥（武汉理工大学 材料科学与工程学院， 湖北 武汉 430070 ）摘要： 介绍了一种钢桥 U 肋角焊缝全熔透焊接新工艺 －UFB （ U 肋埋弧衬垫焊） 法， 对该工艺接头的力学性能和微观组织进行了研究。结果表明， 焊缝经超声波探伤达全熔透 Ⅰ 级焊缝标准， 力学性能满足 GB/T 10212 — 2009 《铁路钢桥制造规范》 要求， 且相对标准有较大富裕度。 在应力幅 Δσ＝182．3 MPa ， 频率 f＝5 Hz 的正弦波载荷条件下， 经过 5 036 982 次循环加载未出现裂纹， 相比传统焊接工艺，疲劳性能大幅提升。关...
Welding Technology Vol．47 No．3 Mar. 2018钢 桥 U 肋 角 焊 缝 全 熔 透 焊 接 工 艺叶自强， 肖诗祥（武汉理工大学 材料科学与工程学院， 湖北 武汉 430070 ）摘要： 介绍了一种钢桥 U 肋角焊缝全熔透焊接新工艺 －UFB （ U 肋埋弧衬垫焊） 法， 对该工艺接头的力学性能和微观组织进行了研究。结果表明， 焊缝经超声波探伤达全熔透 Ⅰ 级焊缝标准， 力学性能满足 GB/T 10212 2009 《铁路钢桥制造规范》 要求， 且相对标准有较大富裕度。 在应力幅 ＝182．3 MPa ， 频率 f＝5 Hz 的正弦波载荷条件下， 经过 5 036 982 次循环加载未出现裂纹， 相比传统焊接工艺，疲劳性能大幅提升。关键词： U 肋； 全熔透； 埋弧焊； 疲劳性能； 单面焊双面成形中图分类号： TG445 ； TG457.4文献标志码： B文章编号： 1002－025X(2018)03-0049-04收稿日期： 2017-11-220 引言正交异性钢桥具有自重轻、 整体安全性好、 易于工厂化制造、 装配化施工， 便于回收等优点， 被世界各国广泛应用 ［ 1 ］ 。 桥面板结构由顶、 底板、 U 肋焊接而成， 由于 U 肋为细长的封闭式结构， 内部空间狭小难以实现内部焊接， U 肋与顶板之间采用单面坡口角焊缝。 JTG D64 2015 《公路钢结构桥梁设计规范》 要求熔透深度达到 U 形肋腹板厚度的 80％ ，但实际生产中， 受坡口加工与装配精度、 焊接工艺、焊接工况等因素的影响， 熔透率常难以达到设计规范要求。 同时由于角焊缝无法采用 X 射线探伤， 常规超声波探伤在板厚小于 8 mm 时灵敏度不高， 磁粉探伤只能探测焊缝表面及近表面 （ 3 mm 以内） 微裂纹， 超声相空阵探伤成本太高， 目前针对 U 肋角焊缝尚无有效的无损检测手段， U 肋角焊缝内部质量处于不受控状态。 桥梁在服役过程中承受交变载荷，桥梁 U 肋角焊缝根部极易产生疲劳裂纹， 并呈早发性、 多发性、 再现性的特点， 严重地影响了钢结构桥梁的耐久性。 研究表明， 提高接头熔透率能一定程度提高接头的耐疲劳性能， 但仍无法避免疲劳裂纹的出现 ［ 2 ］ ， 根本原因是未焊透接头焊缝根部截面突变导致该处产生强烈的应力集中， 在交变载荷作用下， 极易发生开裂。针对 U 肋角焊缝难以实现全熔透焊接， 疲劳寿命低的问题， 提出一种新方法 －UFB 法 （ U 肋埋弧衬垫焊） 实现 U 肋角焊缝全熔透焊接， 并对 UFB 法焊接接头的微观组织、 力学性能、 疲劳性能进行了研究。1 焊接材料及设备1．1 焊接材料试验钢材选用在桥梁制造中广泛采用的 Q345qD钢板， 钢板厚度为 8 ， 14 ， 30 mm 。 试验钢板的力学性能见表 1 。 焊丝选用武汉天高熔接有限公司生产的H08MnA （ 准3．2 mm ， 准4．0 mm ） ， ER50 －6 （ 准1．6mm ）。 表面焊剂选用武汉天高公司生产的 TGF－SJ501 ， 该焊剂碱度 （ BIIW ） 1．5 ， 使用前需经 300~350 ℃ 烘干 1~2 h 。 背面软衬垫由 准14 mm 的玻璃纤维管灌装武汉天高公司生产的 TGF－B 焊剂组成。1．2 焊接设备焊接设备采用唐山开元自动化焊接设备有限公司生产的 ZD5－1250E ， BXL5－1250 埋弧焊机、 冷丝送丝机、 GZ－B 型智能焊缝跟踪器组成的双热丝复合冷丝埋弧焊焊接系统。表 1 Q345qD 钢板力学性能屈服强度R eL /MPa抗拉强度R m /MPa断后伸长率A （ ％ ）465 590 26 177 203 190冲击吸收功 A KV /J室温 －20 ℃ －40 ℃工艺与新技术 49 焊接技术 第 47 卷第 3 期 2018 年 3 月2 工艺试验方法U 肋坡口采用机械加工， 坡口角度为 40 ， 无钝边， U 肋与底板装配间隙 1 mm 。U 肋内部铺设软衬垫， 软衬垫外侧设置铜衬垫， 用机构将铜衬垫和软衬垫紧固在 U 肋内侧， 将 U 肋整体固定在自制的摇摆胎架上， 胎架旋转 45 ， 使 U 肋处于亚船型焊接工位， 如图 1 所示。前丝采用直流电源， 焊枪朝焊接方向反向偏 5 ，以获得较大熔深， 起重熔定位焊保证焊缝熔透、 在衬垫的作用下焊缝反面强制成形的作用， 相当于在背面施焊， 以获得比常规背面施焊形状更合理的内凹圆弧形背面焊缝； 中间冷丝跟随前丝与前丝间距 3 mm 左右， 送丝速度 2 m/min ， 冷丝参与熔池热力学行为，平衡熔池底部热量， 使熔池底部优先冷却， 结晶朝熔池表面方向进行， 也一定程度上提高了焊接效率； 后丝采用交流电源， 焊枪朝焊接方向偏 8 ， 采用较高的电弧电压以获得较大的熔宽， 起到盖面的作用， 保证正面焊缝饱满光顺。 焊接工艺参数见表 2 。3 接头成形与金相分析焊缝正面、 背面成形如图 2 ， 图 3 所示。 焊缝成形良好， 焊缝表面、 背面光顺， 两侧熔合良好， 无咬边、 气孔等缺陷。 采用友联 PXUT－320 型超声波探伤仪执行 GB/T 11345 1989 《钢焊缝手工超声波探伤结果分级》 检测， 达到 Ⅰ 级全熔透焊缝标准。接头宏观形貌如图 4 所示。 焊缝金属的结晶方向从焊缝背面以汇聚式向焊缝中心上表面生长， 结晶方向合理。Q345qD 钢母材组织主要为铁素体加少量珠光体， 属于低碳钢。 焊缝中心微观金相如图 5 所示，焊缝中心部位为块状铁素体 + 部分针状铁素体组织，还存在少量珠光体组织， 铁素体呈交叉分布且没有明显方向性， 在断裂途径中需弯曲较长， 这有利于冲击韧性。图 1 UFB 法焊接工艺示意图表 2 焊接工艺参数电弧电压/V焊接电流/A焊丝直径/mm伸出长/mm焊枪与底板夹角/ （ ）焊接速度/ （ cm min -1 ）热丝间距/mm热输入/ （ kJ cm -1 ）前丝 30 600 3．2 25 3757 35 40．42 冷丝 0 0 1．6 37后丝 34 600 4．0 35 37图 2 焊缝正面图 4 接头宏观形貌图软衬垫硬衬垫顶紧机构面板胎架焊枪U 肋4525 m工艺与新技术图 3 焊缝背面图 5 焊缝微观金相50 Welding Technology Vol．47 No．3 Mar. 20184 力学性能试验及分析由于角接接头的拉伸、 冲击试验尚无国家标准，自行设计了接头的拉伸、 冲击试验。 为了有足够的取样尺寸， 制作了 8 mm＋30 mm 的焊接接头， 试验取样尺寸及部位如图 6 ， 图 7 所示。 试验过程按照GB/T 228 2010 ， GB/T 229 2010 进行。 拉伸、 冲击试验结果见表 3 。按照 GB/T 2654 2008 进行焊接接头硬度试验，硬度试验测试部位如图 8 所示。 U 肋接头各区域硬度值见表 4 。 UFB 法接头抗拉强度略高于母材， 其为617 MPa ， 断后伸长率与母材的相同， 为 26％ ， 满足桥梁结构强度要求且具有较高的塑性； 焊缝冲击吸收功为 150 J （ －20 ℃ ）， 熔合区冲击吸收功 90 J （ －20℃ ）， 均远超出大跨度桥梁接头 47 J （ －20 ℃ ） 的标准， 且两区的均大于 47 J （ －40 ℃ ）， 具有较高的低温韧性储备。 接头的硬度最高值处位于焊缝背面热影响区为 HV 10 280 ， 满足大跨度桥梁接头硬度 HV 10 350 的标准要求， 力学性能试验结果均满足 GB/T 10212 2009 《铁路钢桥制造规范》 标准要求。5 接头疲劳试验方法及结果分析为比较 UFB 法工艺与常规工艺制造的 U 肋接头的疲劳性能。 从桥面板结构上切取单面坡口 75％ 熔透率和 UFB 法制造的 100％ 熔透率的 U 肋接头试样，试件主要尺寸见表 5 。 试验采用 MTS 疲劳试验机。为了尽可能模拟桥面运营过程中受应力集中的实际情况， 在 U 肋接头内侧 （ 2 号端部） 设置如图 9中所示的滚动工装 （限制端部横向位移和转角）， 1号端部 （加载端） 设置加载夹头， U 肋底端 （ 3 号端部） 通过螺栓与基座紧固连接， 在距焊趾位置 15mm 处布置电阻应变片， 测量该处应力水平， 作为应力参考， 加载示意图如图 9 所示。308准101.555830表 4 焊接接头各区域硬度值 （ HV 10 ）图 8 接头不同位置硬度分布编号 材质 板厚组合 /mm 焊缝金属 热影响区 母材 最高硬度 位置D1 Q345qD 8＋14 223~274 214~257 210~243 274 焊缝正面D2 Q345qD 8＋14 240~265 236~280 219~253 280 焊缝背面标准 350表 5 U 肋疲劳试样主要尺寸 （ mm ）面板板厚 面板长度 U 肋板厚 U 肋长度 试件宽度14 300 8 170 60工艺与新技术图 6 拉伸试样取样位置示意图 图 7 冲击试样取样位置示意图表 3 拉伸、 冲击试验结果注： 小尺寸与标准尺寸试样冲击吸收功换算依据 GB/T 9711 2011 及文献 ［ 3 ］屈服强度 R eL /MPa 抗拉强度 R m /MPa 断后伸长率 A （ ％ ）526 617 2655 mm×10 mm×5 mm冲击吸收功 A KV2 /J55 mm×10 mm×10 mm冲击吸收功 A KV2 /J缺口位置 －20 ℃ －30 ℃ －40 ℃ －20 ℃ －30 ℃ －40 ℃焊缝中心76 ， 73 ， 75（ 75 ）60 ， 66 ，66 （ 64 ）64 ， 56 ， 72（ 64 ）150 128 128熔合线 ， 44 ， 25（ 34 ）90 80 68图 9 力的加载示意图疲劳试验机加载压头150 150782滚动工装应变片3170固定工装51 焊接技术 第 47 卷第 3 期 2018 年 3 月!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 参考相关文献 ［ 4 ］， 确定疲劳试验采用正弦波常幅加载， 加载频率 f＝5 Hz ， 加载最大载荷 P max ＝3kN ， 载荷幅 P＝2．5 kN 。 测量应变前， 先循环加载几十次， 消除残余工装应力。 疲劳循环次数达到 500万次和试件轴向位移增大 1 mm 时结束加载。 疲劳试验结果见表 6 。UFB 法全熔透试样经 5 036 982 次循环加载后未出现裂纹， 相比传统工艺下 75％ 熔透率的接头， 疲劳性能得到大幅提升。 这是由于 UFB 法全熔透接头，焊缝正面、 背面均呈内凹圆弧， 接头处的应力分布比单面焊 75％ 熔透接头的更合理， 焊缝根部无明显应力集中， 在承受交变载荷时， 不易发生开裂。6 结论（ 1 ） 采用 UFB 法焊接的全熔透接头焊缝形状合理， 焊缝正面、 背面均呈内凹圆弧过渡， 经超声波探伤， 达到 Ⅰ 级全熔透焊缝标准， 解决了传统工艺下接头无法进行有效无损检测， 质量不受控的难题。（ 2 ） UFB 工 艺 接 头 力 学 性 能 均 能 满 足 GB/T10212 2009 《铁路钢桥制造规范》 要求， 且相对规范有较大富裕度。（ 3 ） UFB 法接头在 ＝182．3 MPa ， f＝5 Hz 的正弦波加载条件下， 经 5 036 982 次循环加载未见裂纹， 比传统工艺接头的疲劳性能大幅提升。参考文献：［ 1 ］ 李晓华 ． 铁路正交异性钢桥面 U 肋疲劳试验研究［ D ］ ． 四川 成都： 西南交通大学， 2010．［ 2 ］ 马宇平 ． 正交异性板 U 肋与面板焊缝熔透率对该纵向连接焊缝影响的疲劳试验研究［ J ］ ． 广东建材， 2016 ， 32 （ 6 ）： 48－51．［ 3 ］ 史红兵， 万 军， 程江辉 ． 冲击试样尺寸对冲击功影响的试验［ J ］ ． 中国特种设备安全， 2012 ， 28 （ 2 ）： 3－4．［ 4 ］ 陈一馨， 吕彭民， 郭成军， 等 ． 钢桥面板 U 肋与盖板焊缝构造细节疲劳性能评估［ J ］ ． 长安大学学报： 自然科学版， 2014 ， 34 （ 1 ）：49－55．作者简介： 叶自强 （ 1991 ）， 男， 湖北汉川人， 武汉理工大学材料科学与工程学院硕士研究生， 主要研究方向： 焊接工艺及技术 .通信作者： 肖诗祥， 男， 副教授， 硕士研究生导师 .工艺与新技术表 6 疲劳试验结果试样频率f/Hz加载幅P/kN应力幅/MPa循环次数N/ 次裂纹描述单面焊 75％ 熔透 5 2．5 170．8 321 289 坡口焊根处发生开裂UFB 法全熔透 5 2．5 182．3 5 036 982 未出现裂纹信息工业机器人发展的四种趋势根据 IFR （国际机器人联合会） 最新数据统计， 2016 年全球工业型机器人销量约 29.4 万台， 相较于 2015 年增长 15% ，2017 年增加 18% ， 总销量达 34.6 万台， 预计 2020 年销售量达 52 万台， 接近 2015 年产量的 2 倍。 自 2009 年金融海啸以来， 工业型机器人销售量屡创历史新高， 其中亚太地区销售量为主要市场动能， 约占全球市场的 65% 。因全球广大的市场需求， 工业型机器人四大家族及部分零组件大厂纷纷扩厂或新设生产线， 期望提升产能以满足屡创新高的销售需求。 如德国 KUKA 于 2018 年初启用上海第二期厂房， 并规划 2019 年前在广东建厂， 届时将使整体产能提升至现有的 4 倍， 抢攻汽车及电子产业。 日本安川电机 2017 年中重组中国大陆第一、 第二及第三工厂， 并在欧洲投资 2 500万欧元， 希望藉此缩短供应链及交货期， 拓展欧洲市场。 ABB 在中国拥有全球最大的生产基地， 继珠海之后， 建立青岛、重庆机器人应用中心， 提升销售和在地服务的水准。 日本 FANUC 则投资 630 亿日元在现有的筑波工厂邻近地区兴建新厂，预计 2018 年内可投产， 初期月产量估计可达 2 000台。作为工业机器人三大关键零组件之一的减速器， Harmonic Drive Systems 正着手兴建一座月产达 10 万台减速机的新工厂， 并针对现有穗高工厂进行增产投资， 预计月产能将大幅扩增至现在的 2.5 倍。 约占全球六成的纳博特斯克 （ NabtescoCorperation ） 计划投入 70 亿日元， 在日本及中国进行增产投资， 规划 2019 年 3 月底前， 年产量将提高 3 成， 达 84 万台。在智慧制造的风潮下， 不论从需求面、 供给面， 或是投资人的立场， 都在显示产业对自动化发展的需求， 其中工业型机器人更是构建智慧制造的重要一环。（节选自：机经网）52
