大型钢箱梁焊接收缩变形及其控制

一．焊接残余变形的机理及影响因素
1.焊接残余变形
钢材的焊接通常采用熔化焊方法，是在接头处局部加热，使被焊接材料与添加的焊接材料熔化成液态金属，形成熔池，随后冷却凝固成固态金属，使原来分开的钢材连接成整体。
由于焊接加热，熔合线以外的母材产生膨胀，接着冷却，熔池金属和熔合线附近母材产生收缩，因加热、冷却这种热变化在局部范围急速地进行，膨胀和收缩变形均受到拘束而产生塑性变形。这样，在焊接完成并冷却至常温后该塑性变形残留下来。表1为焊接残余变形的基本形式。实际结构中，焊接残余变形呈现出由这些基本形式组合的复杂状态。

2．影响焊接变形的因素
影响焊接变形的主要因素如下：
（l）焊接方法：钢桥的焊接连接通常采用手工弧焊、CO2气体保护焊、埋弧自动焊等焊接方法（包括针对不同焊接接头形式选用的施焊工艺参数）。因这些焊接方法输入的热量不同，引起的焊接残余变形量也不同。
（2）接头形式：钢桥接头通常有对接接头、T型接头、十字型接头、角接头、搭接接头和拼装板接头。一般采用对接焊缝的角焊缝，包括板厚、焊缝尺寸、坡口形式及其根部间隙、熔透或不熔透等。即构成焊缝断面积及影响散热（冷却速度）的各项因素。
（3）焊接条件：预热和回火处理，以及环境温度等对钢材冷却时温度梯度的影响因素。
（4）焊接顺序及拘束条件：对于一个立体的结构，先焊的部件对后焊的部件将产生不同程度的拘束，其焊接变形也不相同。为防止扭曲变形，应采用对称施焊顺序。

二、南京二桥的构造特点
1.钢箱梁结构特点
南京二桥钢箱梁全长1238m，主跨长628m，是目前世界第三，中国第一的大跨度钢箱梁斜拉桥。全桥钢箱梁分成 93个节段，标准梁段长 15m，宽 38.2m，高 3.5m。图 1为钢箱梁横断面图。共划分成55块带纵横加劲助的板单元构件在工厂预制，然后在桥位附近的组装场正装法拼装焊接成钢箱梁节段，而后船运至桥下吊装就位，焊接连成全桥。

2.钢箱梁几何精度控制方法
从上节所述的制造和安装顺序看，钢箱梁几何尺寸的控制要点及控制措施加表2。


三、焊接收缩量测量试验
由钢箱梁结构特点及其几何尺寸控制项点可知，除宽度及相邻梁段U型肋匹配与焊接横向收缩密切相关外，其他项点均可通过焊后处理措施达到精度要求。所以准确掌握梁段板块焊接横向收缩量是控制钢箱梁段制造几何尺寸精度的关键，所以本文仅就各种条件下的焊接横向收缩量进行了详细测量。
1.板块焊接工艺参数（表3）

2.测量试验简介
为了减少组装胎架上的焊接工作量，先在胎架侧的平台上将 2.4m宽的板单元构件两两拼接成 4.8m宽的块件，简称拼板，这就使胎架上拼接工作量减少约一半。由于胎下和胎上的拘束条件不同，按不同板厚，对其焊接收缩量分别进行了测量。另外，根隔板长约33m。考虑运输条件分成三块制造，胎架上立焊拼接。因下端已与底板和斜底板焊连，呈较强拘束状态，上端为自由状态，对其横向收缩变形也进行了测量。测量标距取300mm。为减少温差影响，测量时间定在温度相对恒定的时间内进行。
3．测量结构及分析
对相同板厚、相同焊接工艺、相同拘束条件，横向收缩值按焊缝根部间隙分组，各组数据分布直方目如图2所示。图中G为焊缝根部间隙，Δ为焊接横向收缩量。
图3表示图2中的纵向对接焊引起的横向收缩平均值与根部间隙的关系。


焊接方法及其工艺参数相同，纵向对接焊缝引起的横向收缩量可归纳为焊缝断面积、板厚和坡口根部间隙的函数，以公式（1）的形式表示：

t——板厚，单位mm；
G--焊缝根部间隙，单位mm；
a，b--经验系数，随焊接条件变化而变化。
将图3中各组数值按公式（1）进行回归，可得各回归参数如表5。图3各图中的斜线为按公式（l）计算所得直线。
从相关系数可知，利用回归所得系数a，b值（表5）及公式（1），可以较准确地预测给定焊接条件下的焊接横向收缩量均值，通过均值及其标准偏差回，可以预测横向收缩量范围。

从图3和分析可得如下结论：
（1）焊接工艺相同，板厚相同，约束条件相同，横向收缩量随坡口根部间隙增大而增大，呈线性关系；
（2）图3（a），（b），（c）比较可知，焊接工艺相同，拘束条件相同，坡口根部间隙相同，横向收缩量随板厚增加而增加；
（3）约束条件对横向收缩量影响显著。
图3（a），（d）中因板厚相同，约束条件相同，所以横向收缩量非常接近。图3（b），（e）中虽然板厚相同，但拘束条件不同，所以总拼时的测量值小于拼板时的测量值。说明总拼时横隔板对顶板的约束强于拼板时柔性马板的约束。
图4为横隔板测点的布置及焊接横向收缩
量均值随测点位置变化情况。接施工顺序，横隔板下端和底板横助焊接后，才进行相邻横隔板单元对接焊接，施焊顺序从下向上。图4表明，越接近底板强约束端，收缩量越小，越接近上侧自由端，收缩量越大。


四、焊接横向收缩变形的补偿
根据测试结果及分析，南二桥制造过程中采取一定措施对焊接横向收缩量予以补偿：①顶板、底板、斜底板等单元下料宽度比设计尺寸放宽 3mm，即纵基线两侧每侧放宽1.5mm。横隔板单元件长度放长2.0mm；②考虑焊接收缩变形的离散性以及顶板、底板总拼时多道焊缝引起收缩变形误差的累积，在面板和底板边缘处各留一块板单元件配切宽度（见图1）。

五、结语
本文测量并分析了南京长江二桥钢箱梁制造过程中各种情况下板单元焊接横向收缩量，建立了相应的经验公式，并依据分析结果采取补偿措施，同时还采取一系列措施有效控制了钢箱梁的长度、高度、拱度、平面度及梁段间匹配，使钢箱梁外型尺寸达到设计精度要求。

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