钢正交异性板结构板单元焊接变形控制技术

一、前言
南京长江第二大桥南汊桥（以下简称南京二桥）的上部结构为钢箱梁斜拉桥，主跨长628m，居世界第三，国内第一，钢箱梁的顶板及底板均采用正交异性板结构。
钢箱梁生产分成板单元制造、梁段组焊及预耕和桥位吊装及焊接三个阶段。为使我国钢桥制造水平上一个新台阶，在生产中采用了一系列新技术新工艺。本文介绍了南京二桥钢正交异性板单元生产过程中的焊接变形问题并研究其控制技术，包括无余量下料技术及反变形技术的研究。

二、板单元焊接变形简介
1.带U型肋的板单元焊接变形的基本形式及变形机理
南京二桥钢箱梁的顶板和底板单元均为正交异性板结构形式，主要受力部件为面板、纵向U型助和横隔板，如图1所示。
焊接U型助时，板单元主要发生四种形式的焊接变形，即纵向收缩变形、横向收缩变形、纵向面外弯曲变形和角变形，如图2所示。

焊接时，U型肋角焊缝和周围热影响区的钢材在凝固和冷却过程中会发生收缩，导致板单元的纵向和横向收缩变形以及纵向面外弯曲变形。另外，由于是在面板的单侧施焊，沿面板的厚度方向存在温度梯度，所以面板有U型肋角焊缝的一面比另一面发生了更大的收缩，在焊缝处形成了角变形。在实际情况中，板单元的整体变形是由四种基本形式组合的复杂变形。
2.研究板单元焊接变形控制技术的意义
板单元制造中的焊接变形对生产是不利的，加角变形使板单元整体弯曲，必须进行大面积的火焰矫形，从而使钢材进一步收缩变形，导致U型肋尺寸及相互间距发生变化，对以后的整体拼装精度产生不利的影响。全桥93段钢箱梁的整体组装时要求两两梁段之间的面板和所有U型肋必须严格对齐，偏差不得超过1mm，因此在板单元制造阶段应避免过多的火焰矫形。目前，板单元焊接的角变形问题可用反变形焊接工艺加以控制，以满足设计精度的要求。
另外焊接的纵向和横向收缩也是不能忽视的，如果准确了解焊接收缩的规律，就可以在钢材下料及单元切割等过程中精确控制尺寸，减少材料的浪费及额外的切割或补长次数。
全桥板单元数量众多，制造工作量大；研究改进板单元的生产工艺将大大提高整个桥梁钢箱梁制造的效率，缩短工期，减少材料消耗，降低成本，保证质量。

三、板单元制造中焊接收缩及无余量下料技术的研究
1.焊接收缩与无余量下料技术
过去，考虑在板单元制造的焊接、火焰矫形、切割坡口等过程中，钢材均会发生不同程度的收缩，所以在板单元下料时，都要预留一定尺寸的富余量。由于对制造流程中的钢材收缩量尚无精确预计的方法，因此在下料时普遍预留了过大的富余量，造成了钢材的浪费，从全桥的规模来看，这种浪费是不能忽视的。
要解决这一问题，可以采用无余量下料技术。就是下料时精确预留材料富余量，既充分考虑制造中的收缩，又最大限度地减少过多预留造成的材料浪费。从板单元的整个生产流程看，焊接过程中的收缩量占整体收缩量的绝大部分，所以准确把握焊接收缩的规律是研究板单元无余量下料技术的关键问题。
2.试验测量及其结果整理
（1）焊接条件
南京二桥标准板单元生产期间，对U型肋角焊缝焊接时的面板收缩量进行了测量和研究。
顶板标准单元的面板厚14mm，上面焊4个壁厚8mm的纵向U型助；底板标准单元的面板厚 12mm，上面焊 3个壁厚 6mm的纵向 U型助，标准单元长 15m，宽 2.4m，如图1所示。
U型肋与面板的角焊缝及坡口如图3所示。

板单元主要焊接参数详见表1。

（2）收缩量的测量
顶、底板U型肋角焊缝纵向收缩量测量结果汇总于图4，横向收缩量测量结果汇总于图5。

统计分析结果详见表2。

3.分析
焊接变形的影响因素很多，如板厚、焊缝长度、焊接类型、焊缝截面积、焊接线能量，约束条件等。就常见的正交异性结构顶、底板单元而言，主要影响因素为面板厚度、U型肋角焊缝的焊接线能量、焊缝长度。
假定板单元的纵向焊接收缩量Δ与焊接线能量E及焊缝长度L成正比，与板单元的面板厚度t成反比，根据收缩量的测量结果和表1的焊接参数，可推得正交界性板单元U型肋坡口角焊缝纵向收缩量经验计算公式为
Δ=0.0086*EL/t-15.1
式中Δ－一板单元焊接纵向收缩量（mm）；
E－－U型肋角焊缝焊接线能量（J／cm）；
L--U型肋角焊缝长度（m）；
t－－板单元面板厚度（mm）。
板单元的横向收缩情况是，顶板单元 8条焊缝的总横向收缩量为0.9mm，底板单元 6条焊缝的总横向收缩量为0.6mm。由于 U型助焊缝为角焊缝，所以横向收缩量远远小于一般对接悍的横向收缩量。从测量结果可以认为，正交异性板单元的焊接横向总收缩量一般不超过 1.5mm。
另外，在对板单元纵向面外弯曲（见图2）进行火焰矫形时，面板纵向还要收缩约1.5mm，加上切割坡口及其他矫形过程中的收缩量约0.5mm，共2mm。
由此可知，板单元下料时在纵向设计尺寸基础上预留焊接纵向收缩量外加2mm的富余量即可基本达到无余量下料的目的。例如：南京二桥板单元下料时的纵向预留量可以参考以下数值：
顶板：5.9＋2≈8mm；
底板：3.7＋2≈6mm。
在横向方向，如果能够采用反变形工艺有效控制角变形，则因火焰矫形引起的收缩量就很小。所以，板单元下料时横向预留量可以参考取 1.5～2.0mm。
受条件的限制，本文的试验结果存在一定的局限性。为了更广泛成熟地应用无余量下料及切割工艺，还需要对其他影响因素进行进一步的研究。

四、板单元制造中采用反变形工艺控制焊接角变形的研究
正交异性板单元U型肋焊接时会在焊缝处产生角变形，变形后的截面情况如图6所示，为了有效地采用反变形焊接工艺控制角变形，必须准确了解角变形量θ的大小。

在试验中，测量了顶板和底板焊接后的变形弧度曲线，计算了各焊缝在焊接期间发生的角变形量θ。其测量结果为：
顶板单元
角变形弧度平均值：θ＝0.006
角变形弧度标准偏差：σ=0.00045
底板单元
角变形弧度平均值：θ=0.0049
角变形弧度标准偏差：σ＝0.00052
假定角变形量θ与焊接线能量E成正比，与板单元的面板厚度t成反比，根据测量结果，可推得正交异性板单元U型肋坡口角焊缝焊接角变形量经验计算公式为：
θ=0.065E/t-0.005
式中θ--焊接角变形量（rad）；
E--U型助焊接线能量（J／cm）；
t--板单元面板厚度（mm）。
根据大量的试验结果，初步确定了顶、底板预加的反向角变形量，再根据生产实践进行改进，设计了专用的反变形焊接胎架进行U型肋的焊接，如图7所示。

实践证明，由于反变形工艺预先对板单元施加了反向的角变形，所以大大减少了焊接后的残余角变形，也减少了火焰矫形的工作量，大大提高了板单元的生产效率。


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