熱輥壓成形技術(shù)在橋梁用新型U肋制造中的應(yīng)用

文/彭雪鋒，韓靜濤，蘇伯泰·北京科技大學(xué)材料加工與控制工程系

熱輥壓成形技術(shù)在橋梁用新型U肋制造中的應(yīng)用

文/彭雪鋒，韓靜濤，蘇伯泰·北京科技大學(xué)材料加工與控制工程系

彭雪鋒，博士研究生，就讀于北京科技大學(xué)材料科學(xué)與工程專業(yè)，長期從事冷彎成形技術(shù)的研究和應(yīng)用，博士研究課題為高強(qiáng)鋼熱輥壓成形技術(shù)研究與應(yīng)用，擁有專利6項(xiàng)，第一作者身份完成論文9篇。

隨著世界橋梁的發(fā)展和鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)的進(jìn)步，從20世紀(jì)中葉開始，隨著正交異性薄壁鋼箱梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)水平日趨成熟以及焊接技術(shù)的提升，鋼箱梁結(jié)構(gòu)以其高度低、自重輕、極限承載力大、易于加工制造且結(jié)構(gòu)連續(xù)等特點(diǎn)，在大跨度橋梁中得到了普遍應(yīng)用，如圖1所示。正交異性橋面板主要由鋼結(jié)構(gòu)面板以及與其焊接的橫梁、縱肋構(gòu)成，其中縱肋以U肋結(jié)構(gòu)為主，由于U肋能夠提供較大的抗扭剛度和抗彎剛度，能夠改善整個(gè)橋面板的受力狀態(tài)，因此成為現(xiàn)代正交異性橋面板最常用的截面形式。

圖1 鋼結(jié)構(gòu)橋梁示意圖

傳統(tǒng)U肋缺陷分析

由于近些年車輛快速增長以及長期超載荷負(fù)重的影響下，我國已建成在使用的鋼結(jié)構(gòu)橋梁中，部分正交異性鋼橋發(fā)現(xiàn)縱肋與橋面板的焊接處有不同程度的疲勞裂紋，分析其主要原因?yàn)椋篣肋為閉口結(jié)構(gòu)，在焊接時(shí)只能從單面施焊，傳統(tǒng)采用75%～85%的部分熔透焊，焊接面積較小；而未熔合部分本身就形成一個(gè)天然的初始裂紋，在反復(fù)載荷作用下，導(dǎo)致橋面板與U肋焊縫處易疲勞開裂，進(jìn)而降低整個(gè)橋梁的壽命；此外，U肋的頂部焊縫部分與U肋非焊接部分相比，其截面厚度較小，使得連接處有一定程度的偏心，焊接處偏心導(dǎo)致附加彎矩形成應(yīng)力集中，從而誘發(fā)裂縫。

新型U肋結(jié)構(gòu)

目前橋梁用U肋都是采用等厚的鋼板冷加工成形工藝制造，針對U肋結(jié)構(gòu)與橋面板的焊接面積小、焊縫容易疲勞開裂等缺陷問題，近年來任自如、陳建國等學(xué)者相繼提出新型U肋結(jié)構(gòu)，如圖2所示，以改善U肋與橋面板的焊接面積，提高焊縫的抗疲勞性能以及結(jié)構(gòu)剛度。

圖2 傳統(tǒng)U肋（a）和新型U肋（b）結(jié)構(gòu)示意圖

新型U肋制備技術(shù)

上述學(xué)者并沒有給出新型U肋的制備方法，韓蕾蕾等人雖提出了一種非等厚U肋的加工方法，但是采用熱軋成形工藝，該工藝材料利用率和熱效率較低，以及對U肋長度有所限制。本研究提出了一種新型U肋局部加熱輥壓成形技術(shù)，如圖3所示，根據(jù)新型U肋局部加熱熱塑性形變規(guī)律，利用SolidWorks軟件設(shè)計(jì)了一套新型U肋局部加熱輥壓成形工藝裝置。

圖3 新型U肋局部加熱輥壓工藝示意圖

熱輥壓成形技術(shù)裝備

該裝備涉及一種橋梁用新型U型肋熱輥壓成形裝置，屬于非等厚熱成形設(shè)備領(lǐng)域。本成形裝置主要由兩部分組成：

⑴感應(yīng)加熱裝置，如圖4所示，其主要由感應(yīng)加熱線圈和調(diào)整機(jī)構(gòu)組成，通過螺栓調(diào)整選擇合適的加熱成形區(qū)域，當(dāng)來料被送入到加熱裝置，迅速升溫到要求的目標(biāo)溫度，接著送入輥壓成形裝置；該感應(yīng)加熱裝置為中頻加熱，感應(yīng)線圈U型槽尺寸大小為寬20mm，深度70mm，外周圍由非導(dǎo)磁物質(zhì)包裹，以保護(hù)感應(yīng)線圈不被擦傷，線圈中間通有冷卻水；其螺栓傳動機(jī)構(gòu)，利用螺栓傳動，可實(shí)現(xiàn)感應(yīng)線圈上下移動，調(diào)整距離為200mm；通過墊片來調(diào)整感應(yīng)線圈角度，調(diào)節(jié)范圍為70°～85°。

圖4 感應(yīng)加熱裝置示意圖

⑵輥壓成形裝置，如圖5所示，感應(yīng)加熱達(dá)到目標(biāo)要求加熱溫度后，送入輥壓成形裝置；成形裝置由兩個(gè)道次組成，其作用分別是粗成形和精成形，道次壓下量分別為4mm和3mm，之后，利用三點(diǎn)彎曲余熱矯直原理，采用三個(gè)機(jī)架底輥高度差以及熱成形后的余熱對U肋進(jìn)行矯直處理，整形后的新型U肋實(shí)物如圖6所示。

圖5 輥壓成形過程

圖6 新型U肋

熱輥壓技術(shù)優(yōu)點(diǎn)

該熱輥壓成形技術(shù)優(yōu)點(diǎn)如下：

⑴成形速度快，熱效率高，得到的U型肋殘余應(yīng)力小，且增大了與橋面板的焊接面積，提高了與橋面板的連接強(qiáng)度和焊縫的抗疲勞性能。

⑵適應(yīng)范圍廣，可滿足不同厚度和加熱深度的U肋，以及通過調(diào)整機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)不同尺寸U肋的熱輥壓成形。

⑶可作為一個(gè)模塊嵌入到在線冷彎生產(chǎn)工藝中，對U肋進(jìn)行端部增厚處理，或者作為一個(gè)獨(dú)立成形模塊，對普通U肋進(jìn)行二次端部增厚處理加工，方便快捷，并可滿足不同長度U肋的需求。

結(jié)束語

本研究課題提出了一種橋梁用新型U肋的局部加熱輥壓成形工藝，解決了傳統(tǒng)U肋焊接區(qū)域小、熔深淺、強(qiáng)度低等缺點(diǎn)；并設(shè)計(jì)出了配套的工藝裝備，替代傳統(tǒng)切邊裝置，作為系統(tǒng)模塊嵌入并不會增加太高成本，且新型U肋的焊接端部組織和力學(xué)性能大大提高，焊接熔深大大改善。