大型鋼箱梁的焊接工藝及變形控制探析

宗秋斌

（江蘇百崮鋼結構工程有限公司，江蘇 鎮江 212143）

1 鋼箱梁名的得來以及鋼箱梁的制造

鋼箱梁也就是我們說的鋼板箱形梁，我們一般應用在跨度較長較大的橋梁上，因其外觀像一個箱子而得名為鋼箱梁。

鋼板箱形梁是大型鋼結構梁橋工程中最最常用的、穩固的結構形式。鋼箱梁中的橫隔板間距的大小對集中承重荷載的作用有影響，就是簡支鋼箱梁容易發生畸變和剛性扭轉的可能，簡支鋼箱梁要通過建造不同數量鋼箱梁的橫隔板，比較鋼箱梁在集中承載作用下，其易發生的畸變和剛性扭轉的變化，從數據中得出結果看，極限畸變效應以及扭轉變化隨橫隔板數量的多少的變化關系。在鋼箱梁的腹板頂端上施加承重荷載，依據畸變與剛性扭轉以及對稱彎曲與偏心荷載等幾種施工情況而采取不同的分解荷載方法進行精確計算得到穩定的數據，以此來建造工藝合格、達到質量要求的鋼板箱形梁。

2 鋼箱梁的焊接工藝

鋼箱梁制造大概分為5個步驟：一是先制造鋼板單元；二是在地胎架上進行預先總拼接，還有部分的焊接橋梁工段；三是橋梁工段的涂裝工程，包括噴砂、油漆涂布等等；四是關鍵的鋼箱梁橋接長焊接；五是最后的鋼結構橋梁節段與節段之間的環縫焊接。看來焊接工藝是否完善，焊接的技術水平是否高超，焊接是決定著大型工程的鋼箱梁質量的重要指標，不能忽視。

焊接工藝分為3步：預處理、下料、焊接。

2.1 預處理

其目的就是為了除銹，一般將鋼板矯平，然后除銹使鋼板的表面達到一定的粗糙程度以利于防銹底漆的噴涂，這樣可防止除銹鋼板再次生銹，但底漆防銹不能影響焊接的質量。

2.2 下料

下料分為兩種，比較準確的數控切割下料，還有一種是氣割下料。數控下料精準，一般用于難度較大、比較復雜的圓弧形、拱形，具體的采用縱割、橫割再總割而完成；氣割下料則在工字鋼、角鋼應用較多。在下料時應注意要有余量，一是為了焊接收縮變形留有余量，另外是為斷頭修切留有余量。

2.3 焊接

依據焊接的國家標準，評估焊接工藝，根據評估結果制定規范的施工工藝，施工工藝的具體評價參數有焊接用的電流、電弧電壓。橫向對接焊縫的有翼板和腹板，這樣的情況采取雙面埋弧焊且對接焊縫不在一個水平面上，應稍微錯開一些，不要形成十字交叉縫，T形梁是先將頂板留出位置線，然后拼接腹板而成，焊接T形梁則是應用船型埋弧焊兩層焊接，一層為快速小電流，一層為緩慢的大電流；而有些需要縱向焊接的底板，底板寬大，需要與橫向焊接錯開一小段距離，也不要形成十字交叉縫。

3 大型鋼箱梁的焊接后期變形的主要原因

在許多經典打造的鋼板箱形梁中，如西堠門大橋、杭州灣跨海大橋等都是采用的鋼箱梁結構，但是在建造的過程中最容易、經常性產生的就是焊接工藝問題，鋼箱梁焊接后的變形原因主要為以下幾點：

3.1 焊接接頭形式不同

在焊接工藝中，常采用高壓鍋爐接頭，而焊接接頭的好壞也是隨著接頭的形式的不同會出現不同的結果，最為普遍的有單一的對接接頭焊接，不同形狀的T型接頭、十字型接頭和角接頭，也有復雜的搭接接頭及拼裝板接頭等等。在有關鋼板厚度、焊縫尺寸大小、坡口不同形式，還有焊接的根部間隙等多方面，焊接工藝會采用對拼接焊縫的角接頭焊縫，另外鋼板的熔透程度也是焊接工藝中的關鍵點。焊接接頭形式對焊接工藝的這些因素影響，其實也就是焊縫的橫斷面積以及影響焊接后的散熱速度和冷卻下來的時間等各項因素的影響。

3.2 焊接的具體方法

鋼板箱形梁焊接連接時經常采取人工弧焊、二氧化碳氣體保護焊、埋弧自動焊等多種焊接手法，其中也有根據不同的焊接接頭方法和形式篩選出的施工焊接的工藝數據等。由于以上的焊接方法不同，他們的輸入熱量有所差異，最終引起的不同焊接殘余也會影響變形方式和變形量。

3.3 焊接工藝中焊接的適合條件

鋼箱梁使用融化焊接的方法，融化時需要預熱與回火的處理，使液態鋼到固態鋼的穩態過程，另外也涉及外界環境如溫度等對鋼板的膨脹（溫度上升的急劇和緩慢）和鋼板冷卻收縮（急劇降溫或是程序降溫）時的影響因素。

4 對焊接變形所要采取的措施

在焊接鋼箱梁時，由于鋼板的固有性質極易產生變形，這會嚴重影響鋼箱梁的施工質量。在施工時焊接變形是無法避免的，但應該控制焊接后變形在容許偏差的范圍之內，否則鋼箱梁的承載力達不到要求時會破壞鋼板的外觀結構，甚至出現質量安全事故，造成重大損失。

4.1 對厚板鋼箱梁焊縫對接引起的變形的控制

在選購鋼箱梁的構建時必須要有焊縫預留位置，它會影響上翼板與下翼板的橫接縫，由此預留也是為了減少焊接的拉應力，使焊接不出現撕裂現象。如若在厚板上焊接，仰焊接的操作很難確保焊接的質量，可以改變措施，改用平焊的方法，只要在鋼板上開鑿一個小的焊孔即可。

4.2 對組焊過程中常易發生的變形的控制

由于大型的鋼箱梁，在焊接過程中會遇到焊接面積大、焊接縫長最后導致焊接工作量大，有些焊接縫焊不透，在這種情況下很難能確保焊接縫的連接質量，為了減少相應的焊接量，一般以金屬少的坡口焊接的方法，從而減少焊接變形也能焊透。減少焊接后變形與彎曲，會選擇適當的預熱方式控制變形如彎曲和扭曲，以最佳預熱方式進行控制與預防變形，減小焊接應力，四條焊縫需同時加熱才能使溫度保持一致，但有先后順序，后焊溫度比先焊溫度高一些，一般高出 50～80 ℃，而先焊預熱溫度為150 ℃，這樣焊縫溫度基本能達到一致。

4.3 優化設計方案，實施合理的焊接工藝

為了減少焊接后發生的變形，一般現場宜選用可以限制電流的最低使用值，同時也減少了輸出熱量，如現場采用的二氧化碳的氣體保護焊，它采用了成形性好藥芯焊絲，另外，對于鋼箱梁的箱形鋼板較厚的且焊縫多的、截面大的，焊接時應注意焊接的順序，盡量先焊接收縮變化明顯的，接下來再焊接收縮不明顯的。在結構上來說，焊接變形最容易發生在鋼箱梁的部件中腹板向內收縮而且變形程度很大，因為腹板是焊接中第一條重要的焊縫，接頭自由，易發生變形，一般采用分階段退焊法。

4.4 注意焊接工藝的檢驗，也可預防和控制焊接的變形

焊接工藝檢查分為外觀檢查、無損檢查、焊縫破壞試驗。

4.4.1 外觀檢查

焊接工藝初步完成后，需對焊縫外觀質量進行檢驗，根據具體焊接工藝標準查看單元件焊接，檢查是否有焊接缺陷，如焊接縫隙不能完全融合或填充不足、夾渣、裂縫、咬邊超標、焊瘤等缺陷應立即做出明顯標識等待重新返工維修。

4.4.2 無損檢查

指對焊縫內部的探傷，只有經過外觀檢查合格在24 h后才可進行無損檢查，多采用3種探傷法，一種是超聲微波探傷，一種是X射線探傷，另一種是磁粉探傷。超聲微波探傷用于頂板和腹板焊縫、橫隔板焊縫、腹板焊縫；X射線探傷用于底板縱向焊縫、腹板橫向焊縫；磁粉探傷用于破口角焊縫。具體的焊縫檢驗方法應根據質量標準執行。

4.4.3 焊縫破壞試驗

在焊接時如需增加焊接試板就要進行破壞性試驗，這一步是在前兩項檢驗合格后才能進行的，先是接頭拉伸使側彎，然后低溫金屬沖擊焊縫，得到一系列的數據來考察質量的穩定性質。

4.5 制定角變和整體的變形控制方案

4.5.1 大型鋼箱梁橋需要局部與整體控制，局部角變形控制

鋼箱梁內部安裝的隔板是為了增加鋼箱梁整體的穩定性與其剛性，鋼箱梁內部有4條縱對接角焊縫，如果使用雙面埋弧焊會增加鋼箱梁內焊接難度且加大焊接的工作量。對于鋼箱梁內部的角變形焊接坡口用單深V字型鋼襯墊的坡口，從外部先開始，采用二氧化碳氣體保護焊作為基礎打底，再與埋弧自動角焊結合填充焊縫，最后組合焊接整體工藝。

4.5.2 整體變形控制

整體變形控制是很難矯正的，它是在扭曲、畸變、撓曲分別或是共同的作用下產生的整體變形，變形嚴重的最終只能是報廢停用，所以一定要在變形初期就進行良好的控制，其主要是通過單元構件的精密制造和完好的組裝，擬定好焊接工藝方案。具體單元構建安裝時，比如腹板和翼板需要拼接后矯正使其平直，若其本身就有彎曲變形，不加矯正直接安裝的鋼箱梁受到的組裝就會超出承受范圍，焊接的過程中或者是焊接結束后，一旦組裝的應力釋放，就會使得鋼箱梁橋的整體結構發生變形。再如，腹板與翼板組裝時，腹板的制造工藝不精確，焊縫接頭留有的空隙太大，焊接縫也會收縮扭曲變形，要解決這種問題就要采用合適的焊接坡口型式，如用單面鋼襯墊坡口，需要將鋼襯墊與腹板連接組合后焊接，然后刨邊以保證鋼箱梁的坡口角接精度，使坡口連接一致，這樣才可避免鋼箱梁的整體組裝后的變形或減少變形的機率。

5 總論

在焊接工藝過程中，尤其是鋼板箱形梁在焊接中易變形，焊接變形的控制是一個復雜的工藝，大型鋼箱梁橋工程一定要考慮其變形的影響因素，根據實際狀況采用有效的、優化的方法。對于鋼結構大型橋的建設施工，安全質量尤為重要，焊接工藝要完善，焊接大型鋼箱梁的質量問題直接關系到大橋的持久性和耐用性，在施工開始和結束的全過程應認真對待焊接變形問題，加強焊接變形控制的措施，采用嚴格的焊接工藝審核合格的方案，這樣才可以達到技術和使用的要求。

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