【摘要】本文結(jié)合南京二橋的建造，對鋼正交異性結(jié)構(gòu)板單元在制造焊接中的變形情況進(jìn)行了測量，據(jù)此對板單元無余量下料工藝及反變形焊接工藝進(jìn)行了研究。
【關(guān)鍵詞】正交異性板 焊接變形 無余量下料技術(shù) 反變形焊接工藝

一、前言
南京長江第二大橋南汊橋（以下簡稱南京二橋）的上部結(jié)構(gòu)為鋼箱梁斜拉橋，主跨長628m，居世界第三，國內(nèi)第一，鋼箱梁的頂板及底板均采用正交異性板結(jié)構(gòu)。
鋼箱梁生產(chǎn)分成板單元制造、梁段組焊及預(yù)耕和橋位吊裝及焊接三個(gè)階段。為使我國鋼橋制造水平上一個(gè)新臺階，在生產(chǎn)中采用了一系列新技術(shù)新工藝。本文介紹了南京二橋鋼正交異性板單元生產(chǎn)過程中的焊接變形問題并研究其控制技術(shù)，包括無余量下料技術(shù)及反變形技術(shù)的研究。

二、板單元焊接變形簡介
1.帶U型肋的板單元焊接變形的基本形式及變形機(jī)理
南京二橋鋼箱梁的頂板和底板單元均為正交異性板結(jié)構(gòu)形式，主要受力部件為面板、縱向U型助和橫隔板，如圖1所示。
焊接U型助時(shí)，板單元主要發(fā)生四種形式的焊接變形，即縱向收縮變形、橫向收縮變形、縱向面外彎曲變形和角變形，如圖2所示。

焊接時(shí)，U型肋角焊縫和周圍熱影響區(qū)的鋼材在凝固和冷卻過程中會發(fā)生收縮，導(dǎo)致板單元的縱向和橫向收縮變形以及縱向面外彎曲變形。另外，由于是在面板的單側(cè)施焊，沿面板的厚度方向存在溫度梯度，所以面板有U型肋角焊縫的一面比另一面發(fā)生了更大的收縮，在焊縫處形成了角變形。在實(shí)際情況中，板單元的整體變形是由四種基本形式組合的復(fù)雜變形。
2.研究板單元焊接變形控制技術(shù)的意義
板單元制造中的焊接變形對生產(chǎn)是不利的，加角變形使板單元整體彎曲，必須進(jìn)行大面積的火焰矯形，從而使鋼材進(jìn)一步收縮變形，導(dǎo)致U型肋尺寸及相互間距發(fā)生變化，對以后的整體拼裝精度產(chǎn)生不利的影響。全橋93段鋼箱梁的整體組裝時(shí)要求兩兩梁段之間的面板和所有U型肋必須嚴(yán)格對齊，偏差不得超過1mm，因此在板單元制造階段應(yīng)避免過多的火焰矯形。目前，板單元焊接的角變形問題可用反變形焊接工藝加以控制，以滿足設(shè)計(jì)精度的要求。
另外焊接的縱向和橫向收縮也是不能忽視的，如果準(zhǔn)確了解焊接收縮的規(guī)律，就可以在鋼材下料及單元切割等過程中精確控制尺寸，減少材料的浪費(fèi)及額外的切割或補(bǔ)長次數(shù)。
全橋板單元數(shù)量眾多，制造工作量大；研究改進(jìn)板單元的生產(chǎn)工藝將大大提高整個(gè)橋梁鋼箱梁制造的效率，縮短工期，減少材料消耗，降低成本，保證質(zhì)量。

三、板單元制造中焊接收縮及無余量下料技術(shù)的研究
1.焊接收縮與無余量下料技術(shù)
過去，考慮在板單元制造的焊接、火焰矯形、切割坡口等過程中，鋼材均會發(fā)生不同程度的收縮，所以在板單元下料時(shí)，都要預(yù)留一定尺寸的富余量。由于對制造流程中的鋼材收縮量尚無精確預(yù)計(jì)的方法，因此在下料時(shí)普遍預(yù)留了過大的富余量，造成了鋼材的浪費(fèi)，從全橋的規(guī)模來看，這種浪費(fèi)是不能忽視的。
要解決這一問題，可以采用無余量下料技術(shù)。就是下料時(shí)精確預(yù)留材料富余量，既充分考慮制造中的收縮，又最大限度地減少過多預(yù)留造成的材料浪費(fèi)。從板單元的整個(gè)生產(chǎn)流程看，焊接過程中的收縮量占整體收縮量的絕大部分，所以準(zhǔn)確把握焊接收縮的規(guī)律是研究板單元無余量下料技術(shù)的關(guān)鍵問題。
2.試驗(yàn)測量及其結(jié)果整理
（1）焊接條件
南京二橋標(biāo)準(zhǔn)板單元生產(chǎn)期間，對U型肋角焊縫焊接時(shí)的面板收縮量進(jìn)行了測量和研究。
頂板標(biāo)準(zhǔn)單元的面板厚14mm，上面焊4個(gè)壁厚8mm的縱向U型助；底板標(biāo)準(zhǔn)單元的面板厚 12mm，上面焊 3個(gè)壁厚 6mm的縱向 U型助，標(biāo)準(zhǔn)單元長 15m，寬 2.4m，如圖1所示。
U型肋與面板的角焊縫及坡口如圖3所示。

板單元主要焊接參數(shù)詳見表1。

（2）收縮量的測量
頂、底板U型肋角焊縫縱向收縮量測量結(jié)果匯總于圖4，橫向收縮量測量結(jié)果匯總于圖5。

統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果詳見表2。

3.分析
焊接變形的影響因素很多，如板厚、焊縫長度、焊接類型、焊縫截面積、焊接線能量，約束條件等。就常見的正交異性結(jié)構(gòu)頂、底板單元而言，主要影響因素為面板厚度、U型肋角焊縫的焊接線能量、焊縫長度。
假定板單元的縱向焊接收縮量Δ與焊接線能量E及焊縫長度L成正比，與板單元的面板厚度t成反比，根據(jù)收縮量的測量結(jié)果和表1的焊接參數(shù)，可推得正交界性板單元U型肋坡口角焊縫縱向收縮量經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式為
Δ=0.0086*EL/t-15.1
式中Δ－一板單元焊接縱向收縮量（mm）；
E－－U型肋角焊縫焊接線能量（J／cm）；
L--U型肋角焊縫長度（m）；
t－－板單元面板厚度（mm）。
板單元的橫向收縮情況是，頂板單元 8條焊縫的總橫向收縮量為0.9mm，底板單元 6條焊縫的總橫向收縮量為0.6mm。由于 U型助焊縫為角焊縫，所以橫向收縮量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于一般對接悍的橫向收縮量。從測量結(jié)果可以認(rèn)為，正交異性板單元的焊接橫向總收縮量一般不超過 1.5mm。
另外，在對板單元縱向面外彎曲（見圖2）進(jìn)行火焰矯形時(shí)，面板縱向還要收縮約1.5mm，加上切割坡口及其他矯形過程中的收縮量約0.5mm，共2mm。
由此可知，板單元下料時(shí)在縱向設(shè)計(jì)尺寸基礎(chǔ)上預(yù)留焊接縱向收縮量外加2mm的富余量即可基本達(dá)到無余量下料的目的。例如：南京二橋板單元下料時(shí)的縱向預(yù)留量可以參考以下數(shù)值：
頂板：5.9＋2≈8mm；
底板：3.7＋2≈6mm。
在橫向方向，如果能夠采用反變形工藝有效控制角變形，則因火焰矯形引起的收縮量就很小。所以，板單元下料時(shí)橫向預(yù)留量可以參考取 1.5～2.0mm。
受條件的限制，本文的試驗(yàn)結(jié)果存在一定的局限性。為了更廣泛成熟地應(yīng)用無余量下料及切割工藝，還需要對其他影響因素進(jìn)行進(jìn)一步的研究。

四、板單元制造中采用反變形工藝控制焊接角變形的研究
正交異性板單元U型肋焊接時(shí)會在焊縫處產(chǎn)生角變形，變形后的截面情況如圖6所示，為了有效地采用反變形焊接工藝控制角變形，必須準(zhǔn)確了解角變形量θ的大小。

在試驗(yàn)中，測量了頂板和底板焊接后的變形弧度曲線，計(jì)算了各焊縫在焊接期間發(fā)生的角變形量θ。其測量結(jié)果為：
頂板單元
角變形弧度平均值：θ＝0.006
角變形弧度標(biāo)準(zhǔn)偏差：σ=0.00045
底板單元
角變形弧度平均值：θ=0.0049
角變形弧度標(biāo)準(zhǔn)偏差：σ＝0.00052
假定角變形量θ與焊接線能量E成正比，與板單元的面板厚度t成反比，根據(jù)測量結(jié)果，可推得正交異性板單元U型肋坡口角焊縫焊接角變形量經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式為：
θ=0.065E/t-0.005
式中θ--焊接角變形量（rad）；
E--U型助焊接線能量（J／cm）；
t--板單元面板厚度（mm）。
根據(jù)大量的試驗(yàn)結(jié)果，初步確定了頂、底板預(yù)加的反向角變形量，再根據(jù)生產(chǎn)實(shí)踐進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計(jì)了專用的反變形焊接胎架進(jìn)行U型肋的焊接，如圖7所示。

實(shí)踐證明，由于反變形工藝預(yù)先對板單元施加了反向的角變形，所以大大減少了焊接后的殘余角變形，也減少了火焰矯形的工作量，大大提高了板單元的生產(chǎn)效率。

參考文獻(xiàn)
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