散索鞍鞍體焊接工藝及應力檢測應用

楊 華，金 闖，呂海軍，劉昌榮

（1.柳州鋼鐵集團有限公司工程技術公司，廣西 柳州545002；2.中建鋼構有限公司，廣東 深圳518040）

散索鞍鞍體主要是用于橋頂上載荷通過主纜索的重要結構件。散索鞍鞍體是由鑄鋼件—鞍頭、底座及低合金鋼鋼板—縱板、橫板焊接而成，最終形成箱型結構，總長3 m、寬2.4 m、高約3.5 m，每件單重約29 t（如圖1）。按工藝要求，焊接制作完成后需進行消除殘余應力處理，目前柳州市沒有能夠容納此構件的退火爐。為此，公司與南寧市神華振動時效技術研究所共同利用振動時效技術，為散索鞍鞍體如何消除焊件殘余應力進行研究。

圖1 散索鞍鞍體

1 焊前裝配

散索鞍結構，如圖2所示。其裝配步驟如下：（1）安裝拼裝平臺，將鞍頭倒置平穩放置，點固。（2）在鞍頭倒置平面上根據金工畫出中心線畫出4（豎橫板 3）、5（豎縱板）、7（豎橫板 4）、8（斜縱板 1）、9（豎橫板 2）、10（豎橫板 5)、11(斜縱板 2）、12（豎橫板6）號、的拼裝線。為方便測量定位5號板在鞍頭的垂直度和中心線，應在鞍頭開口處，畫基準線。

圖2 散索鞍鞍體

（3）放平5號板，在其上面拼裝6、9號板，點固后，拼裝 5、6、9 號板，點固。拼裝 5、10、12 號，同 5、6、9號板一樣，5號板安裝吊耳。

（4）拼裝4、7號板點固，7號板上安裝吊耳，點固。

（5）在鞍頭上拼裝5、6、9號板、點固。其次拼裝4、7 號板，點固后，拼裝 5、10、12 號板，點固(與鞍頭接觸面，應墊2～3mm墊片）。

（6）4、5、6、7、9、10、12 號板與鞍頭就行全面點固，6、10號板進行滿焊，5號板打底焊。

（7）安裝基準板，點固，如圖3所示，基準板安裝圖。

圖3 基準板安裝圖

（8）在8、11號板安裝吊耳，尺寸比原來增大15～20mm，點固。

（9）鞍頭上安裝8、11號板，點固，去除基準板（8、11號板長的邊應該在鞍頭小開口面、鞍頭接觸面，坡口大的朝外面）。

（10）切掉所有吊耳，必要時進行打磨。

（11）底座安裝吊耳，然后在7、9、12號的平面上拼裝，點固，在鞍頭上安裝四個吊耳，點固。

（12）全面加固后進行滿焊。

（13）1（斜橫板 1）、3（斜橫板 2）號板上安裝吊耳，點固。在已滿焊的鞍體翻轉90°（需要制作一個大約1米的墊平平臺），放穩墊平，拼裝1號板，點固，再翻轉180°，放穩墊平，安裝3號板。

（14）焊接（見焊接工藝）。

（15）振動時效去應力。

2 焊接

2.1 焊接過程

（1）全部位定位焊牢。

（2）先對稱焊接序號4、6、10豎橫板與鞍頭接觸處及鞍體底座處焊縫，開坡口處焊縫余高3～5 mm即可，t=40鋼板兩側未開坡口焊縫角高24mm.

（3）側臥焊接序號 5、8、11，件 8、11 打底內側焊縫后，外側清根、打磨，對稱反復翻轉焊接，每邊焊接3道后翻轉一次，不允許一邊焊完后再焊另一邊，外側焊縫余高2～3mm，內側10mm即可。

（4）每道焊縫在焊接約一小半后，進行超聲波探傷檢驗，達到二級焊縫后才能繼續焊接，如不達標需處理后才能繼續。

（5）由于坡口較小，需采用 506φ4焊條打底焊。

（6）兩邊反復翻轉對稱焊接，外側填平即可，兩邊在焊接高約25 mm左右時進行超聲波探傷檢測，焊縫要符合II級要求。

2.2 焊接難點分析

鞍體焊接主要難點如下：

（1）鑄造組織材料冷裂紋敏感度較高，特別在大坡口焊縫焊接方面，鞍座結構焊后因為焊接應力容易產生冷裂紋。

（2）鞍體組焊鋼板與鑄件之間、鋼板之間焊接操作空間較小，給焊接作業帶來一定困難。

（3）肋板、鞍頭和底板為封閉格字型大坡口全熔透對接，而且是厚板焊接，結構剛性很大，焊縫密集導致應力集中明顯，容易造成層狀撕裂等焊接缺陷。

因鞍體結構限制，某些焊縫較難實施焊接作業，為了保證焊接質量，根據多年做索鞍的經驗，焊接工程師的建議及技術的要求，確保結構安全和焊縫焊接性的操作可行性。采取以下措施：

（1）焊接前，對焊縫及材料進行清理，避免因為雜質產生焊接缺陷；

（2）如圖 2，在安裝好 4、5、6、7、9、10、12 后，進行全面加固，然后焊接4、5、6、10板，減少焊接人員的操作難度；

（3）焊接時，相對應的焊縫同時焊接，減少應力集中；

（4）打底焊接時候，焊條盡量不擺動，因為結構不同、容易產生拉裂；

（5）對焊接區域進行預熱和緩冷措施，能有效預防冷裂紋的出現；

（6）選擇具有熔敷率較高、焊縫成型比較美觀、低氫型焊絲CO2氣體保護焊焊接，焊接工藝要求只能平焊，盡量避免或者不用仰焊和立焊，所以焊接是對工件進行多次翻轉；

（7）選用與母材強度相匹配，具有較好焊接性能的H08MnSiA藥芯焊絲，焊接前對焊絲嚴格進行了烘干處理，清除焊絲、坡口上的油污、水份、鐵銹等物質。通過以上措施，在結構安全前提下，簡化了焊接難度，減小了焊接時的應力集中，減輕了工人的勞動強度，更好地保證了焊接質量；

（8）預熱，只是針對鞍頭和肋板、底座和肋板。焊接工藝參數如下表1所列。

表1 焊接工藝參數表

3 散索鞍鞍體振動時效工藝

振動時效是使工件在激振器所施加的周期性外力作用下產生共振，松弛殘余應力，獲得尺寸精度穩定性。也就是在機械的作用下，使構件產生局部的塑性變形，從而使殘余應力得到釋放，以達到降低和調整殘余應力的目的。

散索鞍鞍體振動時效工藝為：使用“全自動軋輥亞共振時效儀”進行振動時效處理，采用膠墊四點支撐，支撐位置在兩端部位置，激振器放置在散索鞍體旁邊一個端部邊角位置，激振器偏心角取120°，在電機轉速為10 035 r/min的共振峰的2/3亞共振點振動30 min，時效時候振動加速度值為80 m/s2，處理后，再將測振器移到散索鞍鞍體另外一個對面位置，在電機轉速為11 274 r/min的2/3亞共振點振動30 min，時效時候振動加速度值為70 m/s2，一件散索鞍鞍體總計振動再次，時效時間約為1 h，振動時效現場及時效曲線如圖4、5、6、7所示，振動時效工藝曲線符合JB/T5926-2005振動時效技術行業標準規定[1]的范疇，該振動有效。

圖4 散索鞍鞍體振動時效現場一

圖5 散索鞍鞍體振動時效現場二

圖6 散索鞍鞍體振動時效工藝曲線（11274 r/m in）

圖7 散索鞍鞍體振動時效工藝曲線（10035 r/m in）

4 殘余應力測量原理和方法

采用盲孔法應力測量儀對殘余應力進行測試。

盲孔法[2]測試原理：盲孔法測量殘余應力是指在有殘余應力的部位鉆一個小孔，因小孔附近的殘余應力被釋放，孔區附近的殘余應力場發生變化，只要測出該局部區域的應變變化量，即可計算出鉆孔處釋放前的殘余應力值。通過對時效前后的焊縫周圍租用盲孔法測量，對比兩者殘余應力的變化情況，就可以了解殘余應力的消除情況。

盲孔測試方法如下：

（1）測量前準備：釋放系數標定、附加加工應變的測定、鉆孔設備的檢查和調整等；

（2）應變花的處理和粘貼：待測構件表面打磨、擦洗檢查應變花、用膠水粘貼應變花（兩個互相垂直的應變花分別平行和垂直方向）；

（3）鉆小孔、讀應變：應變花貼好，固化后連接應變儀，在指定位置鉆φ1.5×2.0 mm小孔，鉆后10 s左右可從讀取釋放應變。

5 散索鞍鞍體殘余應力測點布置

為全面了解散索鞍鞍體焊縫位置的殘余應力分布情況，在散索鞍鞍體的全段焊縫位置，分左右均勻選取10個測試點如圖1所示，分別編號為1#、2#、3#、4#、5#、6#、7#、8#、9# 各 10#，對 1#、2#、3#、4# 和5#進行振動前殘余應力測試，對 6#、7#、8#、9#各10#進行振動后殘余應力測試（如圖8）。

圖8 應力測試現場圖

6 散索鞍鞍體殘余應力測量結果

殘余應力測試結果如表2所列。

表2 散索鞍鞍體振動時效前后殘余應力測試數據與結果

殘余應力中，應力釋放系數參考值取為：k1=-1.329，k2=-0.379.

工件上 1#、2#、3#、4#和 5#測試處綜合殘余應力值分別為 436 MPa、505 MPa、449 MPa、747 MPa和348 MPa，平均應力值為 497 MPa.工件上 6#、7#、8#、9#各10#測試處綜合殘余應力值分別為243 MPa、110 MPa、340 MPa和196 MPa，平均應力值為222 MPa.振動時效可以將散索鞍鞍體的綜合殘余應力從497 MPa降到222 MPa，下降值為275 MPa，平均殘余應力下降率為55%，符合振動時效國家標準的要求（大于30%）。

7 結束語

綜上分析，得出以下結論：

（1）散索鞍鞍體焊接后，其焊縫處的平均應力值為497 MPa，應力分布很不均勻，存在應力變形或開裂的可能性，處于不安全的狀態，是有必要進行消除殘余應力的時效處理的。

（2）散索鞍鞍體振動時效處理后，平均殘余應力下降率為55%，其焊縫處的平均應力值為222 MPa，應力分布已經均勻，不存在應力變形或開裂的可能性，處于安全的狀態。

（3）散索鞍鞍體應用振動時效是可行的。

[1]JB/T5926-2005.振動時效行業標準[S].

[2]ASTM E837-08.盲孔法標準[S].