大型鋼箱梁焊接收縮變形及其控制

1、大型鋼箱梁焊接收縮變形及其控制【摘要】近年來，抗風(fēng)性能優(yōu)越的扁平鋼箱梁作為大跨度索支撐結(jié)構(gòu)（懸索橋和斜拉橋）的加勁梁得到廣泛應(yīng)用。從制造角度來看，鋼箱梁為全焊板系結(jié)構(gòu)即將鋼箱梁劃分成若干類帶縱橫加勁肋的板單元構(gòu)件在工廠預(yù)制，然后分段組裝焊接成箱梁，現(xiàn)場(chǎng)逐段吊裝焊接連成整體。基于這一制造架設(shè)特點(diǎn)，對(duì)鋼箱梁的幾何精度要求極高。而幾何精度主要取決于焊接收縮變形的控制。以南京長(zhǎng)江二橋?yàn)槔?，一?jié)長(zhǎng)15m的標(biāo)準(zhǔn)梁段焊縫總長(zhǎng)達(dá)5000余米，共有40多種類型焊接接頭，采用了CO2氣體保護(hù)焊、埋弧自動(dòng)焊、手工弧焊等多種焊接方法，其焊接變形控制是非常復(fù)雜的課題。本文概要介紹了各種條件下焊接變形的測(cè)試結(jié)果，以及鋼箱

2、梁組焊中焊接變形的系統(tǒng)控制方法?！娟P(guān)鍵詞】鋼箱梁 焊接殘余變形 焊接橫向收縮一焊接殘余變形的機(jī)理及影響因素1.焊接殘余變形鋼材的焊接通常采用熔化焊方法，是在接頭處局部加熱，使被焊接材料與添加的焊接材料熔化成液態(tài)金屬，形成熔池，隨后冷卻凝固成固態(tài)金屬，使原來分開的鋼材連接成整體。由于焊接加熱，熔合線以外的母材產(chǎn)生膨脹，接著冷卻，熔池金屬和熔合線附近母材產(chǎn)生收縮，因加熱、冷卻這種熱變化在局部范圍急速地進(jìn)行，膨脹和收縮變形均受到拘束而產(chǎn)生塑性變形。這樣，在焊接完成并冷卻至常溫后該塑性變形殘留下來。表1為焊接殘余變形的基本形式。實(shí)際結(jié)構(gòu)中，焊接殘余變形呈現(xiàn)出由這些基本形式組合的復(fù)雜狀態(tài)。2影響焊接變形

3、的因素影響焊接變形的主要因素如下：（l）焊接方法：鋼橋的焊接連接通常采用手工弧焊、CO2氣體保護(hù)焊、埋弧自動(dòng)焊等焊接方法（包括針對(duì)不同焊接接頭形式選用的施焊工藝參數(shù)）。因這些焊接方法輸入的熱量不同，引起的焊接殘余變形量也不同。（2）接頭形式：鋼橋接頭通常有對(duì)接接頭、T型接頭、十字型接頭、角接頭、搭接接頭和拼裝板接頭。一般采用對(duì)接焊縫的角焊縫，包括板厚、焊縫尺寸、坡口形式及其根部間隙、熔透或不熔透等。即構(gòu)成焊縫斷面積及影響散熱（冷卻速度）的各項(xiàng)因素。（3）焊接條件：預(yù)熱和回火處理，以及環(huán)境溫度等對(duì)鋼材冷卻時(shí)溫度梯度的影響因素。（4）焊接順序及拘束條件：對(duì)于一個(gè)立體的結(jié)構(gòu)，先焊的部件對(duì)后焊的部件將

4、產(chǎn)生不同程度的拘束，其焊接變形也不相同。為防止扭曲變形，應(yīng)采用對(duì)稱施焊順序。二、南京二橋的構(gòu)造特點(diǎn)1.鋼箱梁結(jié)構(gòu)特點(diǎn)南京二橋鋼箱梁全長(zhǎng)1238m，主跨長(zhǎng)628m，是目前世界第三，中國(guó)第一的大跨度鋼箱梁斜拉橋。全橋鋼箱梁分成 93個(gè)節(jié)段，標(biāo)準(zhǔn)梁段長(zhǎng) 15m，寬 38.2m，高 3.5m。圖 1為鋼箱梁橫斷面圖。共劃分成55塊帶縱橫加勁助的板單元構(gòu)件在工廠預(yù)制，然后在橋位附近的組裝場(chǎng)正裝法拼裝焊接成鋼箱梁節(jié)段，而后船運(yùn)至橋下吊裝就位，焊接連成全橋。2.鋼箱梁幾何精度控制方法從上節(jié)所述的制造和安裝順序看，鋼箱梁幾何尺寸的控制要點(diǎn)及控制措施加表2。三、焊接收縮量測(cè)量試驗(yàn)由鋼箱梁結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其幾何尺寸控制

5、項(xiàng)點(diǎn)可知，除寬度及相鄰梁段U型肋匹配與焊接橫向收縮密切相關(guān)外，其他項(xiàng)點(diǎn)均可通過焊后處理措施達(dá)到精度要求。所以準(zhǔn)確掌握梁段板塊焊接橫向收縮量是控制鋼箱梁段制造幾何尺寸精度的關(guān)鍵，所以本文僅就各種條件下的焊接橫向收縮量進(jìn)行了詳細(xì)測(cè)量。1.板塊焊接工藝參數(shù)（表3）2.測(cè)量試驗(yàn)簡(jiǎn)介為了減少組裝胎架上的焊接工作量，先在胎架側(cè)的平臺(tái)上將 2.4m寬的板單元構(gòu)件兩兩拼接成 4.8m寬的塊件，簡(jiǎn)稱拼板，這就使胎架上拼接工作量減少約一半。由于胎下和胎上的拘束條件不同，按不同板厚，對(duì)其焊接收縮量分別進(jìn)行了測(cè)量。另外，根隔板長(zhǎng)約33m?？紤]運(yùn)輸條件分成三塊制造，胎架上立焊拼接。因下端已與底板和斜底板焊連，呈較強(qiáng)拘束

6、狀態(tài)，上端為自由狀態(tài)，對(duì)其橫向收縮變形也進(jìn)行了測(cè)量。測(cè)量標(biāo)距取300mm。為減少溫差影響，測(cè)量時(shí)間定在溫度相對(duì)恒定的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行。3測(cè)量結(jié)構(gòu)及分析對(duì)相同板厚、相同焊接工藝、相同拘束條件，橫向收縮值按焊縫根部間隙分組，各組數(shù)據(jù)分布直方目如圖2所示。圖中G為焊縫根部間隙，為焊接橫向收縮量。圖3表示圖2中的縱向?qū)雍敢鸬臋M向收縮平均值與根部間隙的關(guān)系。 焊接方法及其工藝參數(shù)相同，縱向?qū)雍缚p引起的橫向收縮量可歸納為焊縫斷面積、板厚和坡口根部間隙的函數(shù)，以公式（1）的形式表示：t板厚，單位mm；G-焊縫根部間隙，單位mm；a，b-經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，隨焊接條件變化而變化。將圖3中各組數(shù)值按公式（1）進(jìn)行回歸，可

7、得各回歸參數(shù)如表5。圖3各圖中的斜線為按公式（l）計(jì)算所得直線。從相關(guān)系數(shù)可知，利用回歸所得系數(shù)a，b值（表5）及公式（1），可以較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)給定焊接條件下的焊接橫向收縮量均值，通過均值及其標(biāo)準(zhǔn)偏差回，可以預(yù)測(cè)橫向收縮量范圍。從圖3和分析可得如下結(jié)論：（1）焊接工藝相同，板厚相同，約束條件相同，橫向收縮量隨坡口根部間隙增大而增大，呈線性關(guān)系；（2）圖3（a），（b），（c）比較可知，焊接工藝相同，拘束條件相同，坡口根部間隙相同，橫向收縮量隨板厚增加而增加；（3）約束條件對(duì)橫向收縮量影響顯著。圖3（a），（d）中因板厚相同，約束條件相同，所以橫向收縮量非常接近。圖3（b），（e）中雖然板厚相同，

8、但拘束條件不同，所以總拼時(shí)的測(cè)量值小于拼板時(shí)的測(cè)量值。說明總拼時(shí)橫隔板對(duì)頂板的約束強(qiáng)于拼板時(shí)柔性馬板的約束。圖4為橫隔板測(cè)點(diǎn)的布置及焊接橫向收縮量均值隨測(cè)點(diǎn)位置變化情況。接施工順序，橫隔板下端和底板橫助焊接后，才進(jìn)行相鄰橫隔板單元對(duì)接焊接，施焊順序從下向上。圖4表明，越接近底板強(qiáng)約束端，收縮量越小，越接近上側(cè)自由端，收縮量越大。四、焊接橫向收縮變形的補(bǔ)償根據(jù)測(cè)試結(jié)果及分析，南二橋制造過程中采取一定措施對(duì)焊接橫向收縮量予以補(bǔ)償：頂板、底板、斜底板等單元下料寬度比設(shè)計(jì)尺寸放寬 3mm，即縱基線兩側(cè)每側(cè)放寬1.5mm。橫隔板單元件長(zhǎng)度放長(zhǎng)2.0mm；考慮焊接收縮變形的離散性以及頂板、底板總拼時(shí)多道焊縫引起收縮變形誤差的累積，在面板和底板邊緣處各留一塊板單元件配切寬度