精准验收 性能更优——对于U肋焊缝质量验收标准的思考

正交异性钢桥面板具有大跨、轻质、高效的特性，应用非常广泛，是大跨度钢桥的首选桥面板形式。其中，桥面板纵向加劲U肋与桥面板连接焊缝极为关键。主要特性包括，U肋焊缝数量多、焊接量大，一座跨径千米级钢结构桥梁，桥面板U肋角焊缝总长达10万米以上；U肋作为封闭型构件，结构尺寸小，焊接难度大，传统单面焊的焊根熔合质量不易控制，新型双面焊的内焊质量控制难度大；U肋焊缝抗疲劳性能要求高，受桥面车轮载荷的反复作用，易产生疲劳裂纹，且疲劳裂纹的检测与修复困难。

“部分全熔透焊缝”要求是一种全新的焊接质量管控理念和方法，可适用于8mm厚U肋双面焊的焊缝质量控制，既能将焊缝内部缺欠数量与尺寸控制在较低水平，又能避免焊缝不必要的返修。目前业内尚缺乏统一、完善的U肋焊缝质量验收标准，本文根据U肋焊接技术特点及技术发展现状，提出了制定U肋焊缝质量验收标准的六个原则，供相关人员参考。

对于传统U肋单面焊，《美国正交异性钢桥面板设计、施工和维护手册》(FHWA 2012）规定，“U肋-桥面板焊接为单面焊接，公称熔透率80%，不小于70%，无熔穿”；《公路钢结构桥梁设计规范》（JTG D64-2015)规定，“U肋与桥面板焊接熔透深度不得小于U肋板厚的80%，焊缝有效喉高不得小于U肋板厚。”国内桥梁普遍设计要求焊缝熔深不低于U肋板厚的80%，个别桥梁项目要求焊缝熔深不低于U肋板厚的75%（如南沙大桥）。

自2016年以来，国内多个重大桥梁工程正交异性钢桥面板应用了U肋双面焊技术，采用气体保护焊或埋弧焊工艺，图1为U肋内焊过程（埋弧焊工艺）。对于新型U肋双面焊缝，沌口长江大桥设计要求部分熔透，焊缝熔深不低于U肋板厚的80%；石首长江大桥、厦门翔安大桥（端部16mm变厚度热轧U肋）设计要求为“双90%”，即U肋全熔透焊缝长度比例不低于90%，未焊透焊缝熔深不低于U肋板厚的90%；棋盘洲长江大桥设计要求全熔透焊缝，质量验收指标为一次探伤合格率不低于94%，未焊透连续长度不大于300mm；深中通道设计要求全熔透焊缝，质量验收指标为一次探伤合格率不低于96%，未焊透连续长度不大于100mm且其熔深不低于U肋板厚的75%；黄茅海跨海通道正交异性钢桥面板U肋焊缝设计要求为双面部分熔透焊缝，焊缝熔深不低于U肋板厚的75%。

图1 U肋内焊（埋弧焊）

长期以来，U肋部分熔透焊缝内部质量缺乏有效的无损检验手段，仅要求做焊缝表面磁粉检测。在港珠澳大桥项目建设中，将超声相控阵检测技术用于U肋角焊缝熔深的检测，具有较高的检测精度，随后超声相控阵检测技术在多个桥梁工程中推广应用。目前，U肋部分熔透焊缝内部质量检测基本采用超声相控阵检测技术；而U肋全熔透焊缝内部质量检测基本上以普通A超为主，必要时辅以超声相控阵检测技术；U肋的焊缝超声波探伤基本上采用抽检形式，每条焊缝两端及中间各抽检1米。

如前文所述，目前各个桥梁项目在正交异性钢桥面板U肋焊缝设计要求及质量验收标准上存在较大分歧，尚缺乏统一、完善的U肋双面焊焊缝质量评价标准和体系。这也成为了正交异性钢桥面板制造技术进一步发展的制约性因素之一。需结合U肋焊缝抗疲劳设计要求、制造工艺技术、无损检测方法，制定合理可行的质量验收标准，既能保证焊缝质量及疲劳性能，又能有效控制制造成本。

相对于全熔透焊缝，部分熔透焊缝中存在着未焊透缺欠。单面焊的未焊透，存在于焊缝根部，是一种表面缺欠；双面焊的未焊透是一种焊缝内部缺欠。对接接头一般要求全熔透焊缝，不允许存在未焊透缺欠，而对于T形接头（U肋焊缝是T形接头焊缝的一种形式），根据焊缝形式可分为角焊缝、部分熔透焊缝和全熔透焊缝。图2为U肋双面埋弧焊宏观金相示例，为全熔透焊缝。

图2 U肋双面埋弧焊宏观金相

U肋单面焊部分熔透焊缝，在疲劳载荷作用下，U肋内侧焊根处应力集中明显，易产生疲劳裂纹。而U肋双面焊部分熔透焊缝，在焊缝内部存在未焊透缺欠。第一种情况，U肋双面焊内部未焊透缺欠对焊缝疲劳性能有显著影响，那么全熔透是U肋焊缝的抗疲劳要求，焊缝内部质量要求应该等同于对接焊缝，要求100%全熔透。第二种情况，U肋双面焊存在一定尺寸的未焊透缺欠，不影响或基本不影响焊缝疲劳性能，那么全熔透不是U肋焊缝抗疲劳要求，应允许采用部分熔透焊缝形式。然而现行部分U肋焊缝质量验收标准提出一次探伤合格率要求，且允许存在一定比例的未焊透缺欠，在此称之为“部分全熔透焊缝”要求。可以说，“部分全熔透焊缝”要求是一种全新的焊接质量管控方法，这在所有焊缝质量验收标准中绝无仅有。

笔者认为，从焊缝抗疲劳设计角度，U肋双面焊焊缝不必要全熔透；从焊缝质量管控角度，按“部分全熔透焊缝”要求进行质量验收，具有一定的合理性。在现有技术条件下，对于8mm厚U肋，采用双面埋弧焊工艺，不开坡口免清根，全熔透焊缝比例可达96%以上。超声波探伤可准确判断焊缝是否为全熔透焊缝，但在定量焊缝熔深上，存在一定的检测误差。控制全熔透焊缝一次探伤合格率，既能严格规范焊接工艺，将焊缝内部缺欠数量与尺寸控制在较低水平，又能避免焊缝不必要的返修。需要指出的是，“部分全熔透焊缝”要求的合理性具有特定条件，即不以牺牲焊接效率和依靠返修为代价。比如端部16mm变厚度热轧U肋，若要求焊缝部分全熔透，焊接效率低，焊接变形量大，则制造工艺性不良。需说明的是，“部分全熔透焊缝”中的全熔透焊缝合理比例（一次探伤合格率）需要进一步研究商榷，不应过高。

U肋双面焊由于内侧角焊缝的“封底”作用，为焊缝实现更大熔深或熔透创造了有利条件。当U肋双面焊的焊缝内部质量要求过高，比如要求100%全熔透，一方面需要调整工艺追求更大的焊缝熔深，带来焊缝外观成形质量劣化、焊接变形量增加等问题；另一方面势必增加焊缝返修量，而经返修的全熔透焊缝，其抗疲劳性能可能不及未经返修的部分熔透焊缝。当U肋双面焊的焊缝内部质量要求过低，焊缝性能不能满足使用需求。此外焊缝无损检测的抽检比例要适度，过高则增加检测成本，过低则不具有代表性(前几件板单元应100%检测，用于验证工艺设备的可靠性）。总之，制定U肋焊缝质量验收标准需遵循适度性原则。需指出的是，随着无损检测技术的发展，基于高效、低成本的检测方法，未来可提高焊缝无损检测比例，从而更好地控制焊缝质量。

目前，U肋焊缝超声波检测方式主要有两种：普通A型超声波检测和超声相控阵检测。前者优点是检测成本低，检测工艺成熟，缺点是对于U肋部分熔透焊缝熔深的检测精度较低。后者优点是检测精度较高，缺点是检测成本和对操作人员技能要求较高。两者均可有效判断焊缝是否为全熔透焊缝。因此，U肋焊缝质量验收标准应遵循适应性原则，在现阶段，对于“部分全熔透焊缝要求”的U肋焊缝超声波检测应允许采用普通A超方式，同时鼓励采用超声相控阵检测技术。图3为U肋焊缝超声相控阵检测过程。

图3 U肋焊缝超声相控阵检测

鉴于目前超声波探伤仅对U肋外侧焊缝熔深进行检测，不能反映U肋内侧焊缝的有效熔深，需进一步深入研究U肋双面焊缝无损检测技术，使其能够精确检测焊缝内部未焊透缺欠的位置与尺寸。

实施U肋内焊技术实现双面焊接，将纵肋与顶板焊接细节的主导开裂模式由焊根迁移至焊趾，焊缝外观成形质量对U肋焊缝疲劳性能有显著影响，目前业内对U肋焊缝内部质量的关注度高于外观成形质量。对于U肋双面焊焊缝，U肋内角焊的焊趾可能成为新的疲劳易损区。在保证U肋焊缝内部质量的同时，应关注焊缝外观成形质量（包括焊脚尺寸），特别是内焊缝的外观成形质量。在生产制造中，应进一步优化焊接工艺，以提升U肋内角焊焊缝外观成形质量作为突破口，将正交异性钢桥面板关键焊缝疲劳性能提升到更高水平。

在U肋焊缝超声波检测中，可采用点面结合的方式。所谓“点面结合”原则与“部分全熔透焊缝”要求相对应，以全熔透焊缝一次探伤合格率指标来保证焊接工艺、焊接设备性能的可靠性，对部分未焊透焊缝以最低焊缝熔深要求作为控制指标，既能保证焊缝质量水平，又能避免不必要的焊缝返修。

不同板厚U肋实现全熔透焊接的难度大不一样，如要求8mm厚U肋，全熔透焊缝比例要求不低于90%，实施难度不大；而对端部16mm厚U肋，在当前技术条件下，全熔透焊缝比例要求不低于90%，焊接难度很大，焊接变形量也很大。因此“部分全熔透焊缝”质量要求可适用于8mm厚U肋双面焊，从焊缝质量管控及经济性角度，并不适用于更大板厚的U肋双面焊。总之，U肋焊缝质量验收标准应遵循因地制宜原则，可根据不同的U肋板厚条件，区别对待。

焊缝返修作为一种补救措施，只有当焊缝出现严重缺欠，影响其使用性能，才有必要进行焊缝返修。特别是对于U肋双面焊内部未焊透缺欠，一般接近U肋内表面，若要求将其返修成全熔透焊缝，返修难度很大，返修焊缝质量也难以保证。因此，对于U肋焊缝质量的控制重点应该在于焊接工艺、焊接设备、焊接过程的控制；焊缝质量验收标准应遵循非必要不返修原则，对于焊接裂纹等严重质量缺陷应予返修，而对于焊缝内部未焊透缺欠的返修则应谨慎，当未焊透缺欠尺寸较小时，对其进行焊缝返修弊大于利。