鋼橋梁厚板單元無馬板對接焊接變形控制工藝研究

白興海，張文才

中鐵寶橋集團有限公司 陜西寶雞 721006

1 序言

北京長安街西延線永定河特大橋外形如圖1所示，鋼塔為邊截面空間扭曲鋼柱，主橋鋼梁為變寬、變高的拱形結構。鋼塔、鋼梁結構采用Q420qE、Q345qE鋼板，鋼塔壁板、鋼梁頂板、底板、腹板存在大量的30mm、36mm、40mm、46mm、52mm和56mm厚鋼板，且鋼塔壁板、鋼梁頂板、底板、腹板均由多塊有一定扭曲線型的板單元組成。單塊板單元輪廓尺寸也相對較大，一般為10000mm×14000mm，重量均在20～35t，每個板單元均由3塊或4塊子板單元組成。鋼塔、鋼梁的節段均需板單元經過子板單元對接后再參與節段整體總拼，為了保證每個板單元對線型的要求，制作過程中需有專用的胎型，將板單元固定在專用胎型上焊接，從而為保證節段線型精度奠定基礎（見圖2）。

圖1 永定河特大橋外形

圖2 扭曲板單元胎架上組焊

2 焊接工藝

由于鋼塔壁板單元、鋼梁底板單元、外側腹板單元均屬結構外觀構件，需保證板單元接寬后外露面平整，并盡量保持原始鋼板表面，因此在板單元對接時需采用無馬板（以下簡稱“無馬”）對接方法，避免對鋼板表面產生損傷。低合金鋼厚板單元對接時，考慮其鋼板厚度較大，焊縫長度較長，焊縫質量等級為一級，焊縫質量要求嚴，焊接時大量的熔敷金屬填充等問題，存在極高的焊縫質量風險；另外，板單元均具有一定的曲線線型要求，無法采取多次翻身對稱焊接的方式來控制焊接變形。因此，針對此類厚板單元且要實現無馬對接，則需借助胎型實現。

首先，組拼前對子板單元對接邊進行檢查、矯平，保證其滿足對接要求；其次，需采取千斤頂和配重塊調節對接錯臺來實現無馬組裝。為滿足板單元對接時一級焊縫質量要求，面對如此大量的焊縫填充量，既要保證焊接質量和焊縫一次無損檢測合格率，又要提高生產效率，因此首選埋弧焊焊接。另外，為滿足板單元對線型的要求，需根據板單元線型制作相應的符合板單元線型趨勢的胎型，使板單元在胎型上焊接，以此來滿足板單元對線型的要求。由于板單元無法通過多次翻身進行對稱施焊來控制變形，故板單元對接坡口形式只能選擇單V形坡口。綜上所述，板單元對接時采取在專用胎型上焊接，接頭形式采取單V形50°坡口，留6mm間隙，焊接工藝采取實芯焊絲氣體保護焊打底焊接兩層，厚度為8～10mm，采用埋弧焊填充、蓋面。

3 實際制作工藝研究

采取上述工藝進行焊接后，板單元均在焊縫處出現較大變形，給后序矯直帶來極大難度和挑戰。反復火焰矯直不但影響焊縫及母材性能，而且給工期進度帶來極大制約。為此，需對工藝執行過程進行原因分析、過程跟蹤、數據分析和研究，對工藝措施進行改進，從而解決變形問題。

3.1 影響因素分析

（1）材料因素 通常來說，焊接材料和母材均為金屬制品，金屬特有的熱物理性能參數和力學性能參數都對焊接變形的產生過程有重要影響，其熱屬性決定了材料的膨脹和收縮程度。材料的導熱系數將直接決定焊接變形，一般導熱系數越小，溫度梯度越大，會導致材料更加容易變形。熱膨脹系數不僅與材料變形相關，而且材料的力學屬性會隨著溫度的變化而改變。通常情況下，較大的彈性模量會存儲較大的變形能，所積累的殘余應力更容易引起焊接變形[1]。該項目中所用鋼材均為TMCP鋼，材質、成分及性能相對均衡，導熱系數遠小于銅合金或鋁合金，因此低合金高強鋼焊接時焊接熱量引起的溫度梯度對焊縫區域的變形影響較大。

（2）焊接結構因素 焊接結構的設計是焊接變形影響因素中影響最大的、也是最復雜的因素。其總體原則是隨拘束度的增加，焊接殘余應力增加，而焊接變形則相應減少。焊接時，結構工件本身的拘束度是隨著焊接的進行而不斷變化的，一般來說，結構非常復雜時，其自身的拘束度在焊接過程中的主導作用將非常顯著，且焊接結構越復雜，拘束度越大。因此，需要對為了增加結構剛性而增加的筋板數量和位置進行優化處理，可適當減小焊接工作量，同時也能對焊接變形有削弱作用[1]。該項目中板單元對接采用了無馬對接，焊縫接頭處拘束應力主要來自焊縫自身的變形和焊接應力、約束焊接變形的配重塊和千斤頂傳遞給板塊的外力。

（3）焊接工藝因素 相對于焊接材料和焊接結構等因素來說，焊接工藝對焊接變形的影響要復雜多樣。焊接工藝對焊接變形的影響包括焊接方法、焊接電流、電弧電壓、構件的拘束度、焊接順序及焊接胎架的應用等。其中焊接順序對焊接變形的影響最為顯著，一般情況下，改變焊接順序可以改變殘余應力的分布及應力狀態，減少焊接變形[1]。另外，多層焊以及焊接參數也對焊接變形有十分重要的影響。該項目中，厚板板單元采用了實芯焊絲氣體保護焊打底焊接，厚度為8～10mm，采用埋弧焊填充、蓋面的焊接工藝，因此在打底焊時氣體保護焊熱輸入相對較小，所引起的焊接應力和變形也較小。但當選用埋弧焊時，采用的焊接參數較大，且焊絲直徑相對較粗，因此所產生的焊接熱輸入較大，引起的焊接變形也較大。

（4）對接焊縫角變形機理 焊接角變形產生的根本原因是焊縫處因焊接熱輸入而導致橫向收縮變形在厚度方向的不均勻分布，使得鋼板在兩個表面受熱程度不同，焊縫及其附近的溫度很高，而遠處大部分金屬不受熱，其溫度還是室溫，這樣不受熱的冷金屬便阻礙了焊縫及近縫區金屬的膨脹和收縮[2]。在溫度場和溫度梯度影響下，冷卻過程中因出現不均勻收縮而產生應力，在這個過程中焊縫金屬及焊接熱影響區金屬由于各種原因可能發生比較復雜的體積變化，會在工件內部形成各種應力，進而對金屬體積變化產生影響，最終形成焊接應力和焊接變形[3]。該項目中板單元對接采用的是單面V形坡口，坡口根部焊縫熔敷金屬量少，而坡口上部焊縫熔敷金屬量相對較多，焊接熱輸入量大，會導致焊接接頭的上部焊縫收縮變形大，下部焊縫收縮變形小，這樣就造成了構件在平面上沿焊縫軸線偏轉，即為焊接角變形，平板對接角變形如圖3所示。

3.2 過程跟蹤及數據匯總

根據以上因素分析，在工藝執行過程中選取有針對性的板單元，對不同厚度板單元焊接時的焊接參數、焊前對接間隙、焊后焊縫處收縮量及焊縫處角變形進行了跟蹤記錄（見表1），以此作為工藝措施改進研究的實踐依據。

圖3 平板對接角變形

3.3 調整工藝及采取措施

根據表1中數據，為進一步控制厚板板單元無馬對接焊接變形，在對焊接工藝進行必要調整的同時，采取其他方面的相應措施。一方面，對埋弧焊的焊接電流、電弧電壓等焊接參數盡量采用偏下限值。針對不同板厚，在設置相應焊接收縮量的同時，焊接前預設焊接反變形量，見表2；另一方面，當板單元完成無馬對接保證無錯臺后，采取分段打底定位焊，保證板塊的整體性和穩定性。通過外力施加一定的彈性約束，產生與焊接變形方向相反的應力，即沿焊縫縱向施加配重塊，沿板單元長邊方向設置彈性卡板，同時將板單元另一長邊與胎架固定（見圖4），使焊接過程中產生的焊接應力能緩慢釋放，從而對焊接變形速率加以抑制，防止在焊接時短時間內產生過大、過快的焊接變形，同時綜合降低焊縫內應力。

表1 焊接過程記錄數據

4 結束語

該項目進行低合金高強鋼厚板單元無馬對接焊接變形控制時，首先，從焊接參數選擇上，盡量采用下限值，減少焊縫熱輸入量，從而在焊接熱影響方面降低焊縫焊接應力；其次，在板塊組拼過程中需嚴格保證板塊坡口尺寸和板塊間對接間隙，不宜使坡口產生過大焊縫金屬填充量和過大的對接間隙；最后，根據不同的鋼板厚度和焊縫長度，需在焊接前預設相應的焊接反變形，并采取有效措施降低焊接變形速率，使焊縫處在焊接過程中產生均勻、緩慢的焊接變形。總之，結構鋼焊接變形的控制非常重要，一方面能降低焊縫的內應力，提高焊縫的安全性和耐久性；另一方面能有效控制焊接角變形，可避免或減少焊縫區域的火焰矯直，在有效縮短制作周期的同時極大地節約了制造成本。

表2 焊接參數控制

圖4 焊接反變形措施