关于箱型钢梁焊接变形矫正工艺的探讨.pdf

90关于箱型钢梁焊接变形矫正工艺的探讨李瑞娟张士锋尚园/中国电建市政建设集团有限公司【摘要】箱型钢梁近年来在止水闸门中得到普遍应用，但因其特殊结构给焊后矫正造成了一定的困难。本文结合公司已完工项目实践，对产生变形的原因、形式、各个部位矫正的方法以及施工中减少焊接变形的工艺进行了系统的阐述。【关键词】箱型钢梁焊后变形火焰矫正机械矫正引言近年来随着闸门止水深度的增加，深孔闸门应用越来越普遍，带来的是闸门整个钢结构的稳固性增加及闸门面板、大梁板材厚度的增加。此时箱型梁以其荷载水平高、工期短、结构性能好等优势得到了普遍应用，成为技术含量高的工程设计中不可或缺的重要部分。因箱型梁的特殊构造，尤其是特厚板作为腹板时，因其焊接量大，焊后易变形，给矫正带来了一定难度。本文通过分析焊后变形的原因及基本形式，对箱型梁焊后不同部位矫正做一定程度解析，以达到优化施工工艺、减少焊后变形的目的。2箱型钢梁产生焊后变形的原因受焊接电流、材质、工艺等诸多因素的影响，钢构件会产生应力和变形，这种变形是焊接时不均匀加热引起的。在施焊时焊件上产生不均匀的温度场，这种温度场大多数情况下是非线性分布的，在焊缝附近温度最高，可达16 0 0，邻近区域则温度急剧下降。钢材在加热时高温区膨胀最大，但由于截面平面变形的作用，高温区受到两侧温度较低、膨胀量较小的钢材的限制，而不能自由地进行膨胀，于是焊件中产生了压应力。由于焊接过程中，焊缝先后冷却的时间不同，先焊的已经凝固，具有一定强度，它会防止后焊焊缝在横向方向的自由膨胀，使它发生横向的塑性压缩变形，导致冷却后在后焊的焊缝内产生横向拉应力，而在先焊部分产生横向压应力。很明显，当施焊方向不同，横向残余应力沿焊缝轴线上的分布也会不同，在最后施焊的末端必然产生拉应力。压应力和拉应力构成了焊后结构件的内应力。由于内应力的作用，焊件的几何形状会被改变，焊缝附近热影响区的金属会发生缩短，表现为钢结构的变形。3箱型钢梁不同部位矫正方法解析结构件焊接后发生的变形大致可分为两种情况，即整体结构变形和局部变形。整体结构变形包括板材坡口对焊后产生的长度缩短（纵向收缩）和垂直于焊缝长度方向的横向收缩，致使边板翘起产生角变形。局部变形则表现为腹板凸弯、翼板波浪形、翼板角变形等。矫正方法一般分为火焰矫正和机械矫正，两种矫正方法的原理及产生的效果不尽相同，在实际应用中要根据变形程度、变形部位来选择单一或是两者综合的矫正方法。火焰矫正：变形的原理与产生焊接收缩变形的原理相似，它是通过对变形的钢材烤火加热，使金属发生膨胀，但由于周围冷金属对加热处物体的限制，使受热物体受到压缩。冷却时产生很大的冷缩应力，钢材就会因比原来的尺寸有所缩短、减少而发生预期变形，从而达到矫正的目的，它是利用金属材料热胀冷缩的特性进行的一种反变形。火焰矫正，一方面是恢复变形，另一方面是释放焊接残余应力，矫正的方法是通过造成新的变形来达到抵消已经发生的变形。机械矫正：通过外力施压于变形位置，使变形部位受外力作用，先产生弹性变形，后产生塑性变形，致使钢构件沿着用力的方向发生变形，以此抵消焊后产生的变形，从而达到矫正变形的目的，适用于变形不大或薄板的矫正。3.1较窄翼板的角变形矫正在坦桑尼亚水电站项目事故门施工中，因前后翼板多出腹板宽度两侧8 2 mm，仅采用火焰矫正很难收到很91关于箱型钢梁焊接变形矫正艺的探讨好的效果，需采用火焰加机械的综合矫正方法，即需做龙门式工装，用千斤顶外力配合火焰矫正来达到矫正的目的，见图1。自制矫正龙门千斤顶箱型梁图1较窄翼板角变形矫正示意图火焰矫正采用线状加热，用烤枪对准焊缝的反面，纵向线状加热，加热温度6 8 0 7 50，颜色呈深樱红色。加热深度不超过板厚的1/3，加热范围在两焊脚所控制的范围。线状加热时不应在同一位置反复加热。为避免产生弯曲和扭曲变形，线状加热过程应由中部向两边辐射，即由两人同时用烤枪从中部向两侧烘烤，使应力走势均匀。在烤火的同时，用龙门固定千斤顶，使千斤顶顶压于变形部位。在矫正过程中要用角尺不断测量，避免出现矫正过度的现象。通过此类综合矫正方法可大大缩短矫正工期，避免了单独采用火焰矫正需多次对翼板进行烤火冷却而造成翼板应力集中的现象。3.2翼板的侧弯矫正因箱型梁呈一个箱体结构，焊后变形时各个方向会产生制约变形的拉力，使得腹板在焊接过程中极少出现侧弯，只有翼板因焊接参数、坡口角度不均匀等因素会产生侧弯。在侧弯的凸出侧，均匀地选定加热的点数和加热部位，加热温度达到550 58 0 金属呈褐红色即可。矫正时需要两种加热部位：一是边缘加热，在翼板侧弯的凸出侧沿边进行直线形加热，直接用烤枪对准凸出侧边即可；二是采用三角形加热，因三角形加热面积较大，收缩量较大，常用于矫正变形较大的部位。加热位置在外凸的一侧，加热三角形底边在被矫正的翼板边缘，顶尖朝内。为保证矫正效果，一般矫正前将箱型梁翼板用垫块垫起以便加热后收缩不受外力束缚，然后再进行矫正，见图2。三角形底边宽度根据变形量大小来确定，一次矫正时要留有余地，待冷却后才能测准反变形量，如果没达到标准，可参考前一次矫正情况，重新选取加热点进行矫正，直至矫正达到要求。晋中项目人行桥桥体箱型梁制作过程中，依据上述矫正特点，先根据变形位置、变形量的大小来选择加热位置和加热范围，再根据板材厚度、板材质特点确定加火焰矫正三角形垫块图2翼板侧弯三角形加热矫正示意图热温度，可缩短矫正摸索时间，使矫正作业有序且保质地进行。3.3腹板中间凸起的矫正焊接应力造成的变形或火焰调整各向变形矫正过程中，会使腹板出现中间凸起的现象。对于中间凸起不严重的可采用点状加热矫正，对于中间凸起较大的采用机械和火焰综合矫正方法。3.3.1点状加热矫正因腹板较厚，矫正时应加热到7 7 0 8 0 0，使钢板呈现樱红色。加热时烤枪应做螺旋式加热，保证加热深度不超过腹板厚度的2/3，边加热边移动，始终保持钢板表面加热。加热时由于是中间凸起，应使中间的钢板缩短，加热顺序应是从边缘到中间，不能先从凸起最高处加热。找准凸起处的边缘，外圈完成后再向内圈进行，逐步向凸起处围拢，最后到达中心部位，见图3。每加热完一点需看一下矫正效果，当一圈没有加热完，但收缩量已经达到要求时，应结束这一圈的加热。每一圈的加热点均匀排列，如果加热完毕后还有凸起，可以在完全冷却后进行二次加热矫正，应避开原点，在两原点中间另取点进行加热图3点状加热矫正腹板示意图3.3.2机械加火焰综合矫正对于腹板凸起比较大的部位，因点状加热热量收缩有限，起不到很好的矫正效果，这时候就需进行火焰再加外力的作用，使得凸起处受热后变形，达到矫正的目的。先在凸起处周围以最高凸起处为圆心画加热圈，加热圈的大小根据变形量大小进行确定，用烤枪对加热圈92机电与新能源工程从外向内进行加热，以加热钢板到樱红色，温度7 7 0 800，然后利用自制式龙门，将千斤顶固定施压，以无凸起为原则进行加压。肯尼亚人行钢结构桥梁腹板厚度为50 mm，单纯靠火焰矫正，需矫正多次，应力较集中，矫正完成后腹板表面会出现凹凸不平的现象。采用机械加火焰综合矫正的方法，利用机械作用可有效抵消火焰矫正产生的应力，保证了腹板表面平直度的要求，有效缩短了矫正时间。4腹板拱度的矫正在腹板和翼板上同时加热，在腹板上烤三角形，在与三角形相交的翼板位置烤矩形，矩形加热宽度可与三角形底边宽度一致，也可以略宽或略窄，视变形情况而定。三角形尖部朝向需要起拱位置，三角形尖部在腹板边上，三角形底部在腹板中部，三角形不要超过腹板高度的1/2，加热时从尖部开始，然后从中心向两端分布，一层层加热到三角形底端为止。如出现大面积需矫正的情况，则宜采用多个小底边三角形加热的方式，这样可以达到均匀变形的目的。在肯尼亚事故闸门腹板拱度矫正实施过程中，因其是箱梁结构，一般还需加热完成后用千斤顶外力进行辅助，以便达到矫正效果。5减小矫正的工艺方法（1）焊接量越大，产生的焊接热量越大，则内应力越大，变形也越易出现。因此，减小焊缝截面积，减少焊接量可有效减少焊接热量。（2）在矫正到完好、无超标缺陷焊缝的前提下，尽可能采用较小的坡口尺寸（角度和间隙）。变焊接方法时，尽可能不预热或适当降低预热、焊接过程中的层间温度。优先采用热输人较小的焊接方法，如CO，气体保护焊、手工电弧焊。（3）对于厚板焊接来说，尽可能采用多层焊的焊接工艺代替单层焊，避免单层焊熔敷金属大量堆积，热量大量集中。（4）双面均可焊接操作时，尽量采用双面对称坡口，焊接过程随时用角尺进行测量，且焊接过程需选择合适的焊接参数，在满足焊缝成型质量的前提下，尽量选择电流、电压较小的焊接参数，以减小焊接热量输出。（5）充分运用反变形原理，采用焊前反变形方法控制焊后角变形，即预先将翼板用油压机压出反向弧度，以克服焊接后焊缝收缩产生的变形。（6）组对箱型钢梁时，选择正确的组对顺序，尤其是当腹板、翼板需要拼接时，应在不受外力限制的状态下焊接拼缝，然后再进行组对，只有这样才能有效地释放拼缝的焊接收缩内应力。6结语因箱型梁结构的特殊性，它的变形有时甚至是几处作用力集合的结果，对于它的制作需要对工艺不断地进行完善以减少焊接过程热量的输出，而对于它的矫正需要在不断总结经验的基础上不断的加以完善和创新。通过以上方法的不断尝试，相信在不久的将来，会有更简便、更便捷的箱型梁制作和矫正工艺来指导箱型梁的制作成型。