鋼橋梁厚板單元無馬板對(duì)接焊接變形控制工藝研究

白興海，張文才

中鐵寶橋集團(tuán)有限公司 陜西寶雞 721006

1 序言

北京長(zhǎng)安街西延線永定河特大橋外形如圖1所示，鋼塔為邊截面空間扭曲鋼柱，主橋鋼梁為變寬、變高的拱形結(jié)構(gòu)。鋼塔、鋼梁結(jié)構(gòu)采用Q420qE、Q345qE鋼板，鋼塔壁板、鋼梁頂板、底板、腹板存在大量的30mm、36mm、40mm、46mm、52mm和56mm厚鋼板，且鋼塔壁板、鋼梁頂板、底板、腹板均由多塊有一定扭曲線型的板單元組成。單塊板單元輪廓尺寸也相對(duì)較大，一般為10000mm×14000mm，重量均在20～35t，每個(gè)板單元均由3塊或4塊子板單元組成。鋼塔、鋼梁的節(jié)段均需板單元經(jīng)過子板單元對(duì)接后再參與節(jié)段整體總拼，為了保證每個(gè)板單元對(duì)線型的要求，制作過程中需有專用的胎型，將板單元固定在專用胎型上焊接，從而為保證節(jié)段線型精度奠定基礎(chǔ)（見圖2）。

圖1 永定河特大橋外形

圖2 扭曲板單元胎架上組焊

2 焊接工藝

由于鋼塔壁板單元、鋼梁底板單元、外側(cè)腹板單元均屬結(jié)構(gòu)外觀構(gòu)件，需保證板單元接寬后外露面平整，并盡量保持原始鋼板表面，因此在板單元對(duì)接時(shí)需采用無馬板（以下簡(jiǎn)稱“無馬”）對(duì)接方法，避免對(duì)鋼板表面產(chǎn)生損傷。低合金鋼厚板單元對(duì)接時(shí)，考慮其鋼板厚度較大，焊縫長(zhǎng)度較長(zhǎng)，焊縫質(zhì)量等級(jí)為一級(jí)，焊縫質(zhì)量要求嚴(yán)，焊接時(shí)大量的熔敷金屬填充等問題，存在極高的焊縫質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)；另外，板單元均具有一定的曲線線型要求，無法采取多次翻身對(duì)稱焊接的方式來控制焊接變形。因此，針對(duì)此類厚板單元且要實(shí)現(xiàn)無馬對(duì)接，則需借助胎型實(shí)現(xiàn)。

首先，組拼前對(duì)子板單元對(duì)接邊進(jìn)行檢查、矯平，保證其滿足對(duì)接要求；其次，需采取千斤頂和配重塊調(diào)節(jié)對(duì)接錯(cuò)臺(tái)來實(shí)現(xiàn)無馬組裝。為滿足板單元對(duì)接時(shí)一級(jí)焊縫質(zhì)量要求，面對(duì)如此大量的焊縫填充量，既要保證焊接質(zhì)量和焊縫一次無損檢測(cè)合格率，又要提高生產(chǎn)效率，因此首選埋弧焊焊接。另外，為滿足板單元對(duì)線型的要求，需根據(jù)板單元線型制作相應(yīng)的符合板單元線型趨勢(shì)的胎型，使板單元在胎型上焊接，以此來滿足板單元對(duì)線型的要求。由于板單元無法通過多次翻身進(jìn)行對(duì)稱施焊來控制變形，故板單元對(duì)接坡口形式只能選擇單V形坡口。綜上所述，板單元對(duì)接時(shí)采取在專用胎型上焊接，接頭形式采取單V形50°坡口，留6mm間隙，焊接工藝采取實(shí)芯焊絲氣體保護(hù)焊打底焊接兩層，厚度為8～10mm，采用埋弧焊填充、蓋面。

3 實(shí)際制作工藝研究

采取上述工藝進(jìn)行焊接后，板單元均在焊縫處出現(xiàn)較大變形，給后序矯直帶來極大難度和挑戰(zhàn)。反復(fù)火焰矯直不但影響焊縫及母材性能，而且給工期進(jìn)度帶來極大制約。為此，需對(duì)工藝執(zhí)行過程進(jìn)行原因分析、過程跟蹤、數(shù)據(jù)分析和研究，對(duì)工藝措施進(jìn)行改進(jìn)，從而解決變形問題。

3.1 影響因素分析

（1）材料因素 通常來說，焊接材料和母材均為金屬制品，金屬特有的熱物理性能參數(shù)和力學(xué)性能參數(shù)都對(duì)焊接變形的產(chǎn)生過程有重要影響，其熱屬性決定了材料的膨脹和收縮程度。材料的導(dǎo)熱系數(shù)將直接決定焊接變形，一般導(dǎo)熱系數(shù)越小，溫度梯度越大，會(huì)導(dǎo)致材料更加容易變形。熱膨脹系數(shù)不僅與材料變形相關(guān)，而且材料的力學(xué)屬性會(huì)隨著溫度的變化而改變。通常情況下，較大的彈性模量會(huì)存儲(chǔ)較大的變形能，所積累的殘余應(yīng)力更容易引起焊接變形[1]。該項(xiàng)目中所用鋼材均為TMCP鋼，材質(zhì)、成分及性能相對(duì)均衡，導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)小于銅合金或鋁合金，因此低合金高強(qiáng)鋼焊接時(shí)焊接熱量引起的溫度梯度對(duì)焊縫區(qū)域的變形影響較大。

（2）焊接結(jié)構(gòu)因素 焊接結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是焊接變形影響因素中影響最大的、也是最復(fù)雜的因素。其總體原則是隨拘束度的增加，焊接殘余應(yīng)力增加，而焊接變形則相應(yīng)減少。焊接時(shí)，結(jié)構(gòu)工件本身的拘束度是隨著焊接的進(jìn)行而不斷變化的，一般來說，結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜時(shí)，其自身的拘束度在焊接過程中的主導(dǎo)作用將非常顯著，且焊接結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，拘束度越大。因此，需要對(duì)為了增加結(jié)構(gòu)剛性而增加的筋板數(shù)量和位置進(jìn)行優(yōu)化處理，可適當(dāng)減小焊接工作量，同時(shí)也能對(duì)焊接變形有削弱作用[1]。該項(xiàng)目中板單元對(duì)接采用了無馬對(duì)接，焊縫接頭處拘束應(yīng)力主要來自焊縫自身的變形和焊接應(yīng)力、約束焊接變形的配重塊和千斤頂傳遞給板塊的外力。

（3）焊接工藝因素 相對(duì)于焊接材料和焊接結(jié)構(gòu)等因素來說，焊接工藝對(duì)焊接變形的影響要復(fù)雜多樣。焊接工藝對(duì)焊接變形的影響包括焊接方法、焊接電流、電弧電壓、構(gòu)件的拘束度、焊接順序及焊接胎架的應(yīng)用等。其中焊接順序?qū)附幼冃蔚挠绊懽顬轱@著，一般情況下，改變焊接順序可以改變殘余應(yīng)力的分布及應(yīng)力狀態(tài)，減少焊接變形[1]。另外，多層焊以及焊接參數(shù)也對(duì)焊接變形有十分重要的影響。該項(xiàng)目中，厚板板單元采用了實(shí)芯焊絲氣體保護(hù)焊打底焊接，厚度為8～10mm，采用埋弧焊填充、蓋面的焊接工藝，因此在打底焊時(shí)氣體保護(hù)焊熱輸入相對(duì)較小，所引起的焊接應(yīng)力和變形也較小。但當(dāng)選用埋弧焊時(shí)，采用的焊接參數(shù)較大，且焊絲直徑相對(duì)較粗，因此所產(chǎn)生的焊接熱輸入較大，引起的焊接變形也較大。

（4）對(duì)接焊縫角變形機(jī)理 焊接角變形產(chǎn)生的根本原因是焊縫處因焊接熱輸入而導(dǎo)致橫向收縮變形在厚度方向的不均勻分布，使得鋼板在兩個(gè)表面受熱程度不同，焊縫及其附近的溫度很高，而遠(yuǎn)處大部分金屬不受熱，其溫度還是室溫，這樣不受熱的冷金屬便阻礙了焊縫及近縫區(qū)金屬的膨脹和收縮[2]。在溫度場(chǎng)和溫度梯度影響下，冷卻過程中因出現(xiàn)不均勻收縮而產(chǎn)生應(yīng)力，在這個(gè)過程中焊縫金屬及焊接熱影響區(qū)金屬由于各種原因可能發(fā)生比較復(fù)雜的體積變化，會(huì)在工件內(nèi)部形成各種應(yīng)力，進(jìn)而對(duì)金屬體積變化產(chǎn)生影響，最終形成焊接應(yīng)力和焊接變形[3]。該項(xiàng)目中板單元對(duì)接采用的是單面V形坡口，坡口根部焊縫熔敷金屬量少，而坡口上部焊縫熔敷金屬量相對(duì)較多，焊接熱輸入量大，會(huì)導(dǎo)致焊接接頭的上部焊縫收縮變形大，下部焊縫收縮變形小，這樣就造成了構(gòu)件在平面上沿焊縫軸線偏轉(zhuǎn)，即為焊接角變形，平板對(duì)接角變形如圖3所示。

3.2 過程跟蹤及數(shù)據(jù)匯總

根據(jù)以上因素分析，在工藝執(zhí)行過程中選取有針對(duì)性的板單元，對(duì)不同厚度板單元焊接時(shí)的焊接參數(shù)、焊前對(duì)接間隙、焊后焊縫處收縮量及焊縫處角變形進(jìn)行了跟蹤記錄（見表1），以此作為工藝措施改進(jìn)研究的實(shí)踐依據(jù)。

圖3 平板對(duì)接角變形

3.3 調(diào)整工藝及采取措施

根據(jù)表1中數(shù)據(jù)，為進(jìn)一步控制厚板板單元無馬對(duì)接焊接變形，在對(duì)焊接工藝進(jìn)行必要調(diào)整的同時(shí)，采取其他方面的相應(yīng)措施。一方面，對(duì)埋弧焊的焊接電流、電弧電壓等焊接參數(shù)盡量采用偏下限值。針對(duì)不同板厚，在設(shè)置相應(yīng)焊接收縮量的同時(shí)，焊接前預(yù)設(shè)焊接反變形量，見表2；另一方面，當(dāng)板單元完成無馬對(duì)接保證無錯(cuò)臺(tái)后，采取分段打底定位焊，保證板塊的整體性和穩(wěn)定性。通過外力施加一定的彈性約束，產(chǎn)生與焊接變形方向相反的應(yīng)力，即沿焊縫縱向施加配重塊，沿板單元長(zhǎng)邊方向設(shè)置彈性卡板，同時(shí)將板單元另一長(zhǎng)邊與胎架固定（見圖4），使焊接過程中產(chǎn)生的焊接應(yīng)力能緩慢釋放，從而對(duì)焊接變形速率加以抑制，防止在焊接時(shí)短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生過大、過快的焊接變形，同時(shí)綜合降低焊縫內(nèi)應(yīng)力。

表1 焊接過程記錄數(shù)據(jù)

4 結(jié)束語

該項(xiàng)目進(jìn)行低合金高強(qiáng)鋼厚板單元無馬對(duì)接焊接變形控制時(shí)，首先，從焊接參數(shù)選擇上，盡量采用下限值，減少焊縫熱輸入量，從而在焊接熱影響方面降低焊縫焊接應(yīng)力；其次，在板塊組拼過程中需嚴(yán)格保證板塊坡口尺寸和板塊間對(duì)接間隙，不宜使坡口產(chǎn)生過大焊縫金屬填充量和過大的對(duì)接間隙；最后，根據(jù)不同的鋼板厚度和焊縫長(zhǎng)度，需在焊接前預(yù)設(shè)相應(yīng)的焊接反變形，并采取有效措施降低焊接變形速率，使焊縫處在焊接過程中產(chǎn)生均勻、緩慢的焊接變形?？傊Y(jié)構(gòu)鋼焊接變形的控制非常重要，一方面能降低焊縫的內(nèi)應(yīng)力，提高焊縫的安全性和耐久性；另一方面能有效控制焊接角變形，可避免或減少焊縫區(qū)域的火焰矯直，在有效縮短制作周期的同時(shí)極大地節(jié)約了制造成本。

表2 焊接參數(shù)控制

圖4 焊接反變形措施