某核電乏燃料廠房吊車梁預(yù)制焊接變形控制研究

張樂(lè)　朱家盛

摘 要：本文采用固有應(yīng)變?cè)韺?duì)某核電乏燃料廠房吊車梁預(yù)制焊接變形進(jìn)行分析預(yù)測(cè)，并根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果有針對(duì)性的進(jìn)行了焊接變形控制，進(jìn)而總結(jié)出一套系統(tǒng)的吊車梁焊接變形控制措施，為類似結(jié)構(gòu)的吊車梁焊接變形控制提供了參考及借鑒。

關(guān)鍵詞：吊車梁;變形;預(yù)測(cè);控制

某核電站乏燃料廠房（KX）50KN吊車主要作為乏燃料的運(yùn)輸工具，其吊車梁作為吊車行駛的路基，承受著吊車行駛中產(chǎn)生的動(dòng)載荷，具有安裝平整度要求高，抗疲勞能力強(qiáng)的特點(diǎn)，對(duì)于吊車的正常運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用。50KN吊車梁設(shè)計(jì)為H型結(jié)構(gòu)，并采用加勁板、加強(qiáng)板、端板等對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng)，結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，預(yù)制過(guò)程中極易產(chǎn)生較大的焊接變形，對(duì)后續(xù)的安裝工作產(chǎn)生不利的影響，因此，在吊車梁預(yù)制過(guò)程中的焊接變形控制極為重要。

1 吊車梁焊接變形分析

KX 50KN吊車梁結(jié)構(gòu)由15mm，25mm和32mm厚的Q235C焊接而成，焊接接頭形式包括T型和角接，整個(gè)吊車梁尺寸龐大，焊縫交錯(cuò)，焊接變形復(fù)雜。因?yàn)榈踯嚵航Y(jié)構(gòu)大，焊縫多，接頭厚度大，如果采用熱彈塑性有限元法其計(jì)算時(shí)間冗長(zhǎng)且不容易收斂，很可能得不到計(jì)算結(jié)果。采用固有應(yīng)變方法可以非常高效預(yù)測(cè)該結(jié)構(gòu)的焊接變形。整個(gè)計(jì)算思路如下：

（1）從吊車梁結(jié)構(gòu)中拆分出典型的焊接接頭;

（2）分別對(duì)典型接頭進(jìn)行彈塑性計(jì)算，分析固有應(yīng)變和固有變形。因?yàn)榻宇^尺寸較小，因而可以采用熱彈塑性方法考慮整個(gè)焊接熱過(guò)程，獲得小型接頭的變形，從而獲得接頭的固有應(yīng)變和固有變形;

（3）建立吊車梁結(jié)構(gòu)的殼單元模型，結(jié)合核電大型結(jié)構(gòu)焊接變形預(yù)測(cè)分析系統(tǒng)給各條焊縫加載熱彈塑性方法計(jì)算得到的固有變形，進(jìn)行彈性計(jì)算，獲得整個(gè)結(jié)構(gòu)的變形。

1.1 吊車梁梁典型接頭拆分

從吊車梁結(jié)構(gòu)中拆分出典型的焊接接頭，如下圖所示，共有5個(gè)典型接頭。

吊車梁典型接頭拆分圖

1.2 典型接頭固有變形分析

采用熱彈塑性模型對(duì)各接頭進(jìn)行變形分析，計(jì)算的各接頭固有變形見(jiàn)下表。

1.3 吊車梁焊接變形計(jì)算

在Solidworks軟件中以實(shí)際結(jié)構(gòu)尺寸建立吊車梁的實(shí)體模型，然后在Hypermesh軟件中建立殼單元有限元模型，導(dǎo)入到核電大型結(jié)構(gòu)焊接變形預(yù)測(cè)分析系統(tǒng)（Weld-FAS）中添加焊縫及各焊縫的固有變形值，設(shè)置自由態(tài)拘束條件，最后進(jìn)行彈性計(jì)算獲得吊車梁的焊接變形。采用焊接變形預(yù)測(cè)分析系統(tǒng)計(jì)算的吊車梁三個(gè)方向焊接變形。

由于焊縫的收縮造成吊車梁x方向縮短，最大相對(duì)變形量達(dá)56mm;吊車梁兩端側(cè)板頂端由于沒(méi)有約束，其y向變形最大，最大變形量達(dá)到7mm，最大相對(duì)變形量達(dá)到14mm;支撐板角焊縫局部位置的z向變形最大，達(dá)到約7mm。

選取吊車梁上下面中間位置線，畫出沿該兩條線的各方向變形，吊車梁上下面的x方向變形幾乎一致，兩端向內(nèi)收縮，但下表面的x收縮量大于上表面，即整個(gè)梁呈現(xiàn)拱形變形;上表面y向變形峰值達(dá)到-0.8mm，下表面的y方向變形峰值為126mm，出現(xiàn)在側(cè)板位置，表明該吊車梁有扭轉(zhuǎn)變形的趨勢(shì);上表面的z方向變形基本上為負(fù)值，峰值變形量為-4.9mm，下表面z方向變形也為負(fù)值，峰值變形達(dá)到約-1.6mm，且z向變形為波浪形，在加強(qiáng)筋位置變形大，表明該吊車梁焊接完后上下表面加強(qiáng)筋板區(qū)域出現(xiàn)凹陷變形。

2 吊車梁焊接變形控制

根據(jù)吊車梁焊接變形分析結(jié)果，主要采用了預(yù)留收縮余量、剛性固定、反變形、采用合理的焊接順序進(jìn)行焊接變形控制，具體措施如下：

2.1 預(yù)留收縮余量

根據(jù)焊接變形分析結(jié)果，吊車梁在長(zhǎng)度方向的收縮量達(dá)56mm，因此，在工字梁制作下料階段，即對(duì)腹板、翼緣預(yù)留60mm的收縮量。

2.2 剛性固定+反變形

剛性固定及反變形主要應(yīng)用于工字梁焊接階段，采用背靠背剛性固定及反變形的方法控制焊接變形，固定用小鋼板尺寸通常為厚度6mm，寬度2倍翼緣板厚度減8mm，長(zhǎng)度約50mm，鋼板間距為300-500mm，長(zhǎng)度方向和翼緣板點(diǎn)焊焊角約為4mm。同時(shí)，在端頭板焊接過(guò)程中也采用焊接大厚度靠板（約80mm厚）剛性固定的方法對(duì)端頭板進(jìn)行變形控制。

2.3 采用合理的焊接順序

（1）工字梁主焊縫焊接。因全焊透焊縫需進(jìn)行清根焊接，一般采用不等邊坡口，焊接時(shí)先焊接大坡口側(cè)，由兩名焊工從中間向兩邊分段退焊，退焊長(zhǎng)度為500-600mm，焊接2-3層后進(jìn)行清根，清根后由兩名焊工分布在吊車梁兩側(cè)采用分段退焊的方法進(jìn)行對(duì)稱焊接。焊接大坡口側(cè)時(shí)需注意不可一次將其填滿，在清根完成后，兩側(cè)同時(shí)進(jìn)行蓋面。

（2）加勁板與工字梁主焊縫焊接。先焊接加勁板與腹板焊縫，然后再焊接加勁板與加強(qiáng)板焊縫，再焊接加勁板與上翼緣板焊縫，最后焊接加勁板與下翼緣板焊縫。

焊接時(shí)由兩名焊工從中間向兩邊左右對(duì)稱跳焊，所有焊縫應(yīng)先統(tǒng)一進(jìn)行打底，然后再統(tǒng)一進(jìn)行填充、蓋面。焊接焊縫加勁板與加強(qiáng)板、翼緣板時(shí)，可將吊車梁進(jìn)行墊高，利用其自身重力，抵消加勁板與上翼緣板焊縫焊接時(shí)的收縮變形。

3 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的焊接變形控制，可先對(duì)其進(jìn)行焊接變形預(yù)測(cè)分析，根據(jù)預(yù)測(cè)分析結(jié)果，再有針對(duì)性的進(jìn)行焊接變形控制措施的制定，可起到較好的焊接變形控制效果。

作者簡(jiǎn)介：張樂(lè)，男，焊接工程師，主要從事核電焊接工藝及焊接材料等研究。