特大型懸臂式鋼箱梁焊接制作工藝實(shí)踐

(武漢船舶職業(yè)技術(shù)學(xué)院，武漢 430050)

特大型懸臂式變截面鋼箱梁是某現(xiàn)代化港口碼頭工程的主梁，見(jiàn)圖1，共8根，其外形尺度為：長(zhǎng)60 m，寬1.8 m，最大高度4.5 m，每根重量87.14 t。這種箱形梁體積大、噸位高、工期緊，給制作、焊接、吊運(yùn)都帶來(lái)了很大的困難，由于它屬于重級(jí)工作制的吊車梁，對(duì)焊縫質(zhì)量要求高，施工時(shí)，焊接變形控制難度大，因此焊接質(zhì)量和焊接變形與應(yīng)力的控制問(wèn)題是建造這種大型懸臂式變截面鋼箱梁的關(guān)鍵技術(shù)。

圖1 碼頭中的特大型懸臂式變截面鋼箱

1 鋼箱梁焊接制作

1.1 焊接特點(diǎn)

該懸臂式變截面鋼箱型梁采用16Mnq 鋼，Q235A鋼等鋼材建造，材料焊接性良好，除16Mnq鋼遇環(huán)境溫度低時(shí)，需采用必要的預(yù)熱措施外，其他可采用常規(guī)焊接工藝，該梁的板厚尺寸變化范圍大，上下蓋板厚度為30 mm, 腹板厚度為12 mm在箱梁懸臂支承處的下蓋板處板厚達(dá)到50 mm，在制造中質(zhì)量要求高，焊縫質(zhì)量難以保證。鋼箱梁截面變化大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，剛性強(qiáng)，焊縫數(shù)量多，為控制焊接變形，減少焊接應(yīng)力，需要制定正確詳細(xì)的裝配焊接工藝和順序。鋼箱梁本體在大合龍的接頭處采用高強(qiáng)螺栓連接，以滿足運(yùn)輸和安裝要求。因此，焊縫的質(zhì)量保證，正確的裝配和焊接順序，控制鋼梁結(jié)構(gòu)焊接變形和進(jìn)行中間消除焊接應(yīng)力的措施，都是鋼箱梁在焊接結(jié)構(gòu)施工中應(yīng)考慮的主要問(wèn)題。

1.2 鋼箱梁焊接制作方案

根據(jù)鋼箱梁的特點(diǎn)，由于車間、現(xiàn)場(chǎng)起重和運(yùn)輸條件的限制，該懸臂式變截面鋼箱梁必須采用分段制造技術(shù)。由于鋼箱梁工作時(shí)，受到拉應(yīng)力和壓應(yīng)力的共同作用，分段時(shí)在分段處應(yīng)避開(kāi)其最大應(yīng)力值。

該箱梁制作時(shí)，可分為4段，第一段長(zhǎng)LⅠ為18.3 m，重量mⅠ為27.78 t；第二、三、四段的長(zhǎng)都為13.9 m，重量分別為19.81、19.81 、19.74 t。分段示意圖見(jiàn)圖2。

圖2 箱梁分段示意

1.3 箱梁的施工工藝流程

根據(jù)鋼箱梁的制作方案，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的施工條件和其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)制定了總工藝流程和分段工藝流程，見(jiàn)圖3。

1) 總段工藝流程圖

2) 分段裝焊工藝流程圖圖3 鋼箱梁施工工藝流程圖

箱形梁的建造工藝總流程共分8個(gè)階段，即備料、分片預(yù)制、分段裝配、合攏、油漆、檢驗(yàn)、構(gòu)件吊運(yùn)、定型。分段工藝流程也為8個(gè)階段，即上翼緣板起拱定位，小膈板、空腹膈板裝焊，縱梁裝焊，腹板裝配定位，橫向加強(qiáng)筋裝焊，下翼緣板裝配定位，內(nèi)外翻身施焊，縱肋及吊耳裝焊。

2 鋼箱梁的焊接制作工藝

2.1 焊接方法選用及其參數(shù)

1) 鋼箱梁主材全部采用16 Mnq鋼，板材組裝時(shí)，用焊條電弧焊進(jìn)行定位焊，焊條采用堿性低氫型焊條，定位焊的長(zhǎng)度為30～50 mm，焊接參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 定位焊焊接參數(shù)

2) 蓋板、腹板的拼接焊，由于焊縫長(zhǎng)，且是平焊，因此選用埋弧焊，焊接參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 對(duì)接接頭雙面埋弧焊焊接的工藝參數(shù)

＊開(kāi)對(duì)稱X型坡口，坡口角度為70°。

3)箱梁接頭、筋板和空腹隔板由于焊縫沒(méi)有拼板時(shí)的長(zhǎng)，選用CO2氣體保護(hù)焊，焊接參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 CO2氣體保護(hù)焊焊接參數(shù)

4) 主梁4條縱縫，采用自動(dòng)角焊機(jī)進(jìn)行焊接。焊接順序視梁的拱度和旁彎的情況而定。當(dāng)拱度不夠時(shí)，應(yīng)先焊接下蓋板左右的2條焊縫；拱度過(guò)大時(shí)，應(yīng)先焊接上蓋板左右兩條縱縫。由于采用工藝板，即墊板，可用大規(guī)范，焊接參數(shù)見(jiàn)表4。

表4 自動(dòng)角焊機(jī)的焊接參數(shù)

2.2 裝焊工藝

采用平臺(tái)組裝工藝，以上翼緣板為基準(zhǔn)在平臺(tái)組裝。裝配時(shí)，采用在上翼緣板上的劃線定位的方式裝配空腹隔板和短筋板，用90°角尺檢驗(yàn)垂直度后進(jìn)行點(diǎn)固，見(jiàn)圖4。為減小梁的下?lián)献冃?，裝好筋板后應(yīng)進(jìn)行筋板與上翼緣板焊縫的焊接。翼緣板預(yù)制如有旁彎，焊接方向如圖5a)所示方向。為了防止焊接時(shí)產(chǎn)生的旁彎變形，焊接方向見(jiàn)圖5b)所示。隨后裝配腹板，因?yàn)楦拱逵蓄A(yù)制上撓作用，裝配時(shí)需蓋板與之貼合嚴(yán)密，點(diǎn)固焊定位，形成沒(méi)有下蓋板的∏形梁，進(jìn)行兩側(cè)腹板與筋板之間的點(diǎn)焊定位。

圖4 隔板和短筋板的裝配

圖5 筋板的焊接方

裝配下蓋板，在裝配壓緊力作用下預(yù)彎成所需拱度形狀，然后點(diǎn)定位焊。由于空腹隔板規(guī)定了矩形形狀公差，較容易控制蓋板的傾斜度和腹板的垂直度，控制上撓度要考慮到卸載后的回彈變形。由于腹板預(yù)制了較大的上撓，定位下蓋板時(shí)，壓緊力使主梁上撓度減少，從而在腹板中造成拉應(yīng)力，有利于防止腹板波浪變形。

2.3 箱梁主梁的焊接工藝

箱梁主梁的焊接工藝步驟如下：

1) 腹板上的單面焊鋼襯墊與底板、頂板(即上下蓋板)要求局部間隙應(yīng)不大于0.5 mm。其中腹板與單面焊鋼襯墊板的焊接采用直徑3.2 mm焊條定位，正式焊接時(shí)應(yīng)先焊坡口正面焊縫，從中間向兩側(cè)進(jìn)行焊接，要求焊縫呈現(xiàn)光滑過(guò)渡，無(wú)缺陷。然后翻身焊坡口反面。原定位焊縫處進(jìn)行連續(xù)焊，將襯墊板封焊。

2) 裝配時(shí)應(yīng)在坡口反面進(jìn)行腹板與底板、頂板的定位焊，在箱梁兩端要加強(qiáng)定位焊。

3) 箱梁主體及內(nèi)部構(gòu)件經(jīng)焊接后，完成外側(cè)縱向加強(qiáng)筋板，水平加強(qiáng)板、橫梁連接板及豎向加強(qiáng)板等部件的裝焊。

4) 內(nèi)部構(gòu)件焊接主要包括空腹隔板、小隔板、橫向及縱向加強(qiáng)板與底板及腹板的焊接。在50 mm厚板處，焊接時(shí)應(yīng)按規(guī)定要求進(jìn)行電加熱，預(yù)熱至100～150℃，要求由雙數(shù)焊工對(duì)稱焊。原則上先焊立角焊，后焊平角焊；先焊縱向焊縫，后焊橫向焊縫。

5) 圖6中a、b、c、d4條主焊縫焊接時(shí)，應(yīng)使鋼箱梁臥置于平臺(tái)上，可實(shí)現(xiàn)上下翼緣板上的角焊縫非平行焊縫的水平焊接，應(yīng)先進(jìn)行兩條主焊縫的焊條打底焊2層和1/2的橫隔板與腹板以及頂板的角焊。然后翻身180℃，按同樣要求進(jìn)行另兩條主焊縫的焊接。上述手工打底焊時(shí)，在坡口外側(cè)的頂板與底板處，應(yīng)按要求進(jìn)行電加熱預(yù)熱。

圖6 鋼箱梁結(jié)構(gòu)主梁斷

6) 完成箱梁內(nèi)各構(gòu)件的全部角接焊縫的焊接。鋼梁兩端部裝引弧板和引出板，并按要求進(jìn)行預(yù)熱后，用2臺(tái)埋弧自動(dòng)焊機(jī)同時(shí)焊接2條主焊縫a和d，使其焊至距上口5～6 mm，然后翻身將另兩條主焊縫b和c至焊完，最后再翻身焊滿前面兩條主焊縫，至焊完。焊接過(guò)程要求連續(xù)進(jìn)行，并按同一方向施焊，要求焊縫表面呈凹形，既緩和過(guò)渡到母材，又無(wú)咬邊等缺陷。

7) 箱梁外部構(gòu)件加強(qiáng)板焊接時(shí)，焊接順序由中間向兩端先焊立角焊，后焊平角焊。在焊接橫梁、邊梁連接板時(shí)，為保證跟部焊接質(zhì)量，打底焊采用直徑3.2 mm焊條。橫梁外部和內(nèi)部構(gòu)件焊接時(shí)，凡有切角及不連續(xù)加強(qiáng)板時(shí)，均要進(jìn)行包角焊。

2.4 鋼箱梁下翼緣支撐板的裝焊

鋼箱梁下翼緣支撐板厚度為50 mm其形狀加工為U形，見(jiàn)圖7a)所示在裝配板的端接縫時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制裝配間隙，并使其不大于2 mm，端口對(duì)接時(shí)，50 mm的厚板應(yīng)削斜，削斜長(zhǎng)度L>4(δ-δ1)，實(shí)際取90 mm，并按規(guī)定開(kāi)X形坡口，坡口角度為70°，見(jiàn)圖7b)所示，裝配時(shí)應(yīng)壓緊使其緊貼腹板并及時(shí)定位焊，接口處的定位焊采用加強(qiáng)焊，以防崩裂，再與相鄰的蓋板定位，焊接時(shí)，先焊對(duì)接縫內(nèi)側(cè)，再焊外側(cè)，焊外側(cè)前應(yīng)清根，如清根過(guò)多或焊肉不足，會(huì)出現(xiàn)“崩焊”情況，此時(shí)應(yīng)返修重焊。

a)

b)1-下翼緣支撐板加工形狀;2-下翼緣支撐板坡口型式圖7 鋼箱梁下翼緣支撐板加工形狀及坡口型

2.5 箱梁的大合攏

焊接梁的連接處都需要局部加強(qiáng)，以承受集中載荷和彎矩，采用橫向加強(qiáng)筋來(lái)加強(qiáng)連接處。為降低連接處的應(yīng)力集中和附加應(yīng)力，連接處的上下蓋板應(yīng)錯(cuò)口，且采用陶瓷襯墊單面焊，結(jié)構(gòu)形式如圖8a)所示，焊接順序，首先由兩名焊工在梁的外面同時(shí)進(jìn)行立焊，由下向上對(duì)稱焊接箱形梁的兩腹板；然后，由兩名焊工分別在鋼箱梁上下同時(shí)焊接鋼箱形梁上下翼緣板的水平拼接焊縫；再由兩個(gè)焊工分別焊接內(nèi)側(cè)腹板的兩條拼接焊縫，焊前應(yīng)清根；最后，由2名焊工同時(shí)焊接錯(cuò)口處未焊接的腹板與翼緣板之間的縱向俯角焊縫和仰角焊縫，其焊接順序和方向見(jiàn)如圖8b)所示。

圖8 主梁的大合攏示意

2.6 翻身施焊工藝

1) 鋼箱形梁翻身工藝采用L形吊具，吊具在箱梁中的設(shè)置位置應(yīng)距箱梁端部4 m，輪胎吊距平臺(tái)的距離不得大于3 m，且4臺(tái)輪胎吊應(yīng)對(duì)稱于裝配平臺(tái)布置，見(jiàn)圖9。

圖9 輪胎吊應(yīng)并排對(duì)稱于裝配平

2) 嚴(yán)格按照起重操作規(guī)程進(jìn)行焊接翻身。包括吊車定位和操作規(guī)程吊鉤只能起吊下面的吊耳，堅(jiān)決杜絕單吊上面的吊耳，以防止箱形梁倒落出現(xiàn)安全事故。鋼箱梁翻身焊接工藝見(jiàn)圖10：

圖10 翻身工藝示意圖

3 檢驗(yàn)

3.1 焊縫外觀質(zhì)量

1) 外觀檢驗(yàn)一般用肉眼進(jìn)行，對(duì)有懷疑的嚴(yán)重缺陷(未熔合、裂紋)可采用放大鏡或表面探傷方法判斷。

2) 外形尺寸應(yīng)用焊接角規(guī)進(jìn)行檢驗(yàn)，檢驗(yàn)的選點(diǎn)應(yīng)具有代表性。

3) 焊縫的外觀，焊波應(yīng)均勻，不允許未熔合焊瘤、燒穿等缺陷。

4) 對(duì)接焊縫，角接焊縫的外形尺寸的要求應(yīng)符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 焊縫內(nèi)部質(zhì)量

1) 對(duì)于重要構(gòu)件要求完全焊透的拼接、對(duì)接和角接接頭，采用超聲波檢查焊縫質(zhì)量。

2) 對(duì)于用超聲波難以進(jìn)行操作的重要接頭，可采用X射線檢查焊縫的焊透情況和未熔合、氣孔、裂紋、夾渣等缺陷情況。

3) 主梁外側(cè)4條角焊縫可采用磁粉檢查(MT)或著色檢查(PT)檢查焊縫近表缺陷。

4) 焊縫內(nèi)部返修次數(shù)不得超過(guò)2次。

4 結(jié)論

該懸臂式鋼箱梁屬首次制造，在制作中，結(jié)合實(shí)際采用了較為先進(jìn)的施工工藝，從而取得了較好的效果：

1) 該梁采用分段建造工藝，既縮短了工期，又降低了整體焊接變形。

2) 多種焊接方法的應(yīng)用和焊接參數(shù)的優(yōu)化選用，減少了結(jié)構(gòu)內(nèi)部的焊接應(yīng)力。

3) 合理的裝焊接工藝，特別是箱梁的焊接程序和四條主焊縫，大大減少了結(jié)構(gòu)的焊接應(yīng)力和變形，避免了應(yīng)力集中。

4) 翻身施焊工藝保證了鋼箱梁接頭或大合龍的焊接質(zhì)量，有效控制了鋼箱梁的扭曲變形。

由于采用先進(jìn)合理的焊接工藝，整個(gè)鋼箱梁制作有序，不僅提高了焊接工藝水平和焊接質(zhì)量，而且獲得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。