特大型懸臂式鋼箱梁焊接制作工藝實踐

(武漢船舶職業技術學院，武漢 430050)

特大型懸臂式變截面鋼箱梁是某現代化港口碼頭工程的主梁，見圖1，共8根，其外形尺度為：長60 m，寬1.8 m，最大高度4.5 m，每根重量87.14 t。這種箱形梁體積大、噸位高、工期緊，給制作、焊接、吊運都帶來了很大的困難，由于它屬于重級工作制的吊車梁，對焊縫質量要求高，施工時，焊接變形控制難度大，因此焊接質量和焊接變形與應力的控制問題是建造這種大型懸臂式變截面鋼箱梁的關鍵技術。

圖1 碼頭中的特大型懸臂式變截面鋼箱

1 鋼箱梁焊接制作

1.1 焊接特點

該懸臂式變截面鋼箱型梁采用16Mnq 鋼，Q235A鋼等鋼材建造，材料焊接性良好，除16Mnq鋼遇環境溫度低時，需采用必要的預熱措施外，其他可采用常規焊接工藝，該梁的板厚尺寸變化范圍大，上下蓋板厚度為30 mm, 腹板厚度為12 mm在箱梁懸臂支承處的下蓋板處板厚達到50 mm，在制造中質量要求高，焊縫質量難以保證。鋼箱梁截面變化大，結構復雜，剛性強，焊縫數量多，為控制焊接變形，減少焊接應力，需要制定正確詳細的裝配焊接工藝和順序。鋼箱梁本體在大合龍的接頭處采用高強螺栓連接，以滿足運輸和安裝要求。因此，焊縫的質量保證，正確的裝配和焊接順序，控制鋼梁結構焊接變形和進行中間消除焊接應力的措施，都是鋼箱梁在焊接結構施工中應考慮的主要問題。

1.2 鋼箱梁焊接制作方案

根據鋼箱梁的特點，由于車間、現場起重和運輸條件的限制，該懸臂式變截面鋼箱梁必須采用分段制造技術。由于鋼箱梁工作時，受到拉應力和壓應力的共同作用，分段時在分段處應避開其最大應力值。

該箱梁制作時，可分為4段，第一段長LⅠ為18.3 m，重量mⅠ為27.78 t；第二、三、四段的長都為13.9 m，重量分別為19.81、19.81 、19.74 t。分段示意圖見圖2。

圖2 箱梁分段示意

1.3 箱梁的施工工藝流程

根據鋼箱梁的制作方案，結合現場的施工條件和其結構特點制定了總工藝流程和分段工藝流程，見圖3。

1) 總段工藝流程圖

2) 分段裝焊工藝流程圖圖3 鋼箱梁施工工藝流程圖

箱形梁的建造工藝總流程共分8個階段，即備料、分片預制、分段裝配、合攏、油漆、檢驗、構件吊運、定型。分段工藝流程也為8個階段，即上翼緣板起拱定位，小膈板、空腹膈板裝焊，縱梁裝焊，腹板裝配定位，橫向加強筋裝焊，下翼緣板裝配定位，內外翻身施焊，縱肋及吊耳裝焊。

2 鋼箱梁的焊接制作工藝

2.1 焊接方法選用及其參數

1) 鋼箱梁主材全部采用16 Mnq鋼，板材組裝時，用焊條電弧焊進行定位焊，焊條采用堿性低氫型焊條，定位焊的長度為30～50 mm，焊接參數見表1。

表1 定位焊焊接參數

2) 蓋板、腹板的拼接焊，由于焊縫長，且是平焊，因此選用埋弧焊，焊接參數見表2。

表2 對接接頭雙面埋弧焊焊接的工藝參數

＊開對稱X型坡口，坡口角度為70°。

3)箱梁接頭、筋板和空腹隔板由于焊縫沒有拼板時的長，選用CO2氣體保護焊，焊接參數見表3。

表3 CO2氣體保護焊焊接參數

4) 主梁4條縱縫，采用自動角焊機進行焊接。焊接順序視梁的拱度和旁彎的情況而定。當拱度不夠時，應先焊接下蓋板左右的2條焊縫；拱度過大時，應先焊接上蓋板左右兩條縱縫。由于采用工藝板，即墊板，可用大規范，焊接參數見表4。

表4 自動角焊機的焊接參數

2.2 裝焊工藝

采用平臺組裝工藝，以上翼緣板為基準在平臺組裝。裝配時，采用在上翼緣板上的劃線定位的方式裝配空腹隔板和短筋板，用90°角尺檢驗垂直度后進行點固，見圖4。為減小梁的下撓變形，裝好筋板后應進行筋板與上翼緣板焊縫的焊接。翼緣板預制如有旁彎，焊接方向如圖5a)所示方向。為了防止焊接時產生的旁彎變形，焊接方向見圖5b)所示。隨后裝配腹板，因為腹板有預制上撓作用，裝配時需蓋板與之貼合嚴密，點固焊定位，形成沒有下蓋板的∏形梁，進行兩側腹板與筋板之間的點焊定位。

圖4 隔板和短筋板的裝配

圖5 筋板的焊接方

裝配下蓋板，在裝配壓緊力作用下預彎成所需拱度形狀，然后點定位焊。由于空腹隔板規定了矩形形狀公差，較容易控制蓋板的傾斜度和腹板的垂直度，控制上撓度要考慮到卸載后的回彈變形。由于腹板預制了較大的上撓，定位下蓋板時，壓緊力使主梁上撓度減少，從而在腹板中造成拉應力，有利于防止腹板波浪變形。

2.3 箱梁主梁的焊接工藝

箱梁主梁的焊接工藝步驟如下：

1) 腹板上的單面焊鋼襯墊與底板、頂板(即上下蓋板)要求局部間隙應不大于0.5 mm。其中腹板與單面焊鋼襯墊板的焊接采用直徑3.2 mm焊條定位，正式焊接時應先焊坡口正面焊縫，從中間向兩側進行焊接，要求焊縫呈現光滑過渡，無缺陷。然后翻身焊坡口反面。原定位焊縫處進行連續焊，將襯墊板封焊。

2) 裝配時應在坡口反面進行腹板與底板、頂板的定位焊，在箱梁兩端要加強定位焊。

3) 箱梁主體及內部構件經焊接后，完成外側縱向加強筋板，水平加強板、橫梁連接板及豎向加強板等部件的裝焊。

4) 內部構件焊接主要包括空腹隔板、小隔板、橫向及縱向加強板與底板及腹板的焊接。在50 mm厚板處，焊接時應按規定要求進行電加熱，預熱至100～150℃，要求由雙數焊工對稱焊。原則上先焊立角焊，后焊平角焊；先焊縱向焊縫，后焊橫向焊縫。

5) 圖6中a、b、c、d4條主焊縫焊接時，應使鋼箱梁臥置于平臺上，可實現上下翼緣板上的角焊縫非平行焊縫的水平焊接，應先進行兩條主焊縫的焊條打底焊2層和1/2的橫隔板與腹板以及頂板的角焊。然后翻身180℃，按同樣要求進行另兩條主焊縫的焊接。上述手工打底焊時，在坡口外側的頂板與底板處，應按要求進行電加熱預熱。

圖6 鋼箱梁結構主梁斷

6) 完成箱梁內各構件的全部角接焊縫的焊接。鋼梁兩端部裝引弧板和引出板，并按要求進行預熱后，用2臺埋弧自動焊機同時焊接2條主焊縫a和d，使其焊至距上口5～6 mm，然后翻身將另兩條主焊縫b和c至焊完，最后再翻身焊滿前面兩條主焊縫，至焊完。焊接過程要求連續進行，并按同一方向施焊，要求焊縫表面呈凹形，既緩和過渡到母材，又無咬邊等缺陷。

7) 箱梁外部構件加強板焊接時，焊接順序由中間向兩端先焊立角焊，后焊平角焊。在焊接橫梁、邊梁連接板時，為保證跟部焊接質量，打底焊采用直徑3.2 mm焊條。橫梁外部和內部構件焊接時，凡有切角及不連續加強板時，均要進行包角焊。

2.4 鋼箱梁下翼緣支撐板的裝焊

鋼箱梁下翼緣支撐板厚度為50 mm其形狀加工為U形，見圖7a)所示在裝配板的端接縫時應嚴格控制裝配間隙，并使其不大于2 mm，端口對接時，50 mm的厚板應削斜，削斜長度L>4(δ-δ1)，實際取90 mm，并按規定開X形坡口，坡口角度為70°，見圖7b)所示，裝配時應壓緊使其緊貼腹板并及時定位焊，接口處的定位焊采用加強焊，以防崩裂，再與相鄰的蓋板定位，焊接時，先焊對接縫內側，再焊外側，焊外側前應清根，如清根過多或焊肉不足，會出現“崩焊”情況，此時應返修重焊。

a)

b)1-下翼緣支撐板加工形狀;2-下翼緣支撐板坡口型式圖7 鋼箱梁下翼緣支撐板加工形狀及坡口型

2.5 箱梁的大合攏

焊接梁的連接處都需要局部加強，以承受集中載荷和彎矩，采用橫向加強筋來加強連接處。為降低連接處的應力集中和附加應力，連接處的上下蓋板應錯口，且采用陶瓷襯墊單面焊，結構形式如圖8a)所示，焊接順序，首先由兩名焊工在梁的外面同時進行立焊，由下向上對稱焊接箱形梁的兩腹板；然后，由兩名焊工分別在鋼箱梁上下同時焊接鋼箱形梁上下翼緣板的水平拼接焊縫；再由兩個焊工分別焊接內側腹板的兩條拼接焊縫，焊前應清根；最后，由2名焊工同時焊接錯口處未焊接的腹板與翼緣板之間的縱向俯角焊縫和仰角焊縫，其焊接順序和方向見如圖8b)所示。

圖8 主梁的大合攏示意

2.6 翻身施焊工藝

1) 鋼箱形梁翻身工藝采用L形吊具，吊具在箱梁中的設置位置應距箱梁端部4 m，輪胎吊距平臺的距離不得大于3 m，且4臺輪胎吊應對稱于裝配平臺布置，見圖9。

圖9 輪胎吊應并排對稱于裝配平

2) 嚴格按照起重操作規程進行焊接翻身。包括吊車定位和操作規程吊鉤只能起吊下面的吊耳，堅決杜絕單吊上面的吊耳，以防止箱形梁倒落出現安全事故。鋼箱梁翻身焊接工藝見圖10：

圖10 翻身工藝示意圖

3 檢驗

3.1 焊縫外觀質量

1) 外觀檢驗一般用肉眼進行，對有懷疑的嚴重缺陷(未熔合、裂紋)可采用放大鏡或表面探傷方法判斷。

2) 外形尺寸應用焊接角規進行檢驗，檢驗的選點應具有代表性。

3) 焊縫的外觀，焊波應均勻，不允許未熔合焊瘤、燒穿等缺陷。

4) 對接焊縫，角接焊縫的外形尺寸的要求應符合國家標準。

3.2 焊縫內部質量

1) 對于重要構件要求完全焊透的拼接、對接和角接接頭，采用超聲波檢查焊縫質量。

2) 對于用超聲波難以進行操作的重要接頭，可采用X射線檢查焊縫的焊透情況和未熔合、氣孔、裂紋、夾渣等缺陷情況。

3) 主梁外側4條角焊縫可采用磁粉檢查(MT)或著色檢查(PT)檢查焊縫近表缺陷。

4) 焊縫內部返修次數不得超過2次。

4 結論

該懸臂式鋼箱梁屬首次制造，在制作中，結合實際采用了較為先進的施工工藝，從而取得了較好的效果：

1) 該梁采用分段建造工藝，既縮短了工期，又降低了整體焊接變形。

2) 多種焊接方法的應用和焊接參數的優化選用，減少了結構內部的焊接應力。

3) 合理的裝焊接工藝，特別是箱梁的焊接程序和四條主焊縫，大大減少了結構的焊接應力和變形，避免了應力集中。

4) 翻身施焊工藝保證了鋼箱梁接頭或大合龍的焊接質量，有效控制了鋼箱梁的扭曲變形。

由于采用先進合理的焊接工藝，整個鋼箱梁制作有序，不僅提高了焊接工藝水平和焊接質量，而且獲得了良好的經濟效益和社會效益。