某核電乏燃料廠房吊車梁預制焊接變形控制研究

張樂　朱家盛

摘 要：本文采用固有應變原理對某核電乏燃料廠房吊車梁預制焊接變形進行分析預測，并根據預測結果有針對性的進行了焊接變形控制，進而總結出一套系統的吊車梁焊接變形控制措施，為類似結構的吊車梁焊接變形控制提供了參考及借鑒。

關鍵詞：吊車梁;變形;預測;控制

某核電站乏燃料廠房（KX）50KN吊車主要作為乏燃料的運輸工具，其吊車梁作為吊車行駛的路基，承受著吊車行駛中產生的動載荷，具有安裝平整度要求高，抗疲勞能力強的特點，對于吊車的正常運行起著至關重要的作用。50KN吊車梁設計為H型結構，并采用加勁板、加強板、端板等對結構進行加強，結構形式復雜，預制過程中極易產生較大的焊接變形，對后續的安裝工作產生不利的影響，因此，在吊車梁預制過程中的焊接變形控制極為重要。

1 吊車梁焊接變形分析

KX 50KN吊車梁結構由15mm，25mm和32mm厚的Q235C焊接而成，焊接接頭形式包括T型和角接，整個吊車梁尺寸龐大，焊縫交錯，焊接變形復雜。因為吊車梁結構大，焊縫多，接頭厚度大，如果采用熱彈塑性有限元法其計算時間冗長且不容易收斂，很可能得不到計算結果。采用固有應變方法可以非常高效預測該結構的焊接變形。整個計算思路如下：

（1）從吊車梁結構中拆分出典型的焊接接頭;

（2）分別對典型接頭進行彈塑性計算，分析固有應變和固有變形。因為接頭尺寸較小，因而可以采用熱彈塑性方法考慮整個焊接熱過程，獲得小型接頭的變形，從而獲得接頭的固有應變和固有變形;

（3）建立吊車梁結構的殼單元模型，結合核電大型結構焊接變形預測分析系統給各條焊縫加載熱彈塑性方法計算得到的固有變形，進行彈性計算，獲得整個結構的變形。

1.1 吊車梁梁典型接頭拆分

從吊車梁結構中拆分出典型的焊接接頭，如下圖所示，共有5個典型接頭。

吊車梁典型接頭拆分圖

1.2 典型接頭固有變形分析

采用熱彈塑性模型對各接頭進行變形分析，計算的各接頭固有變形見下表。

1.3 吊車梁焊接變形計算

在Solidworks軟件中以實際結構尺寸建立吊車梁的實體模型，然后在Hypermesh軟件中建立殼單元有限元模型，導入到核電大型結構焊接變形預測分析系統（Weld-FAS）中添加焊縫及各焊縫的固有變形值，設置自由態拘束條件，最后進行彈性計算獲得吊車梁的焊接變形。采用焊接變形預測分析系統計算的吊車梁三個方向焊接變形。

由于焊縫的收縮造成吊車梁x方向縮短，最大相對變形量達56mm;吊車梁兩端側板頂端由于沒有約束，其y向變形最大，最大變形量達到7mm，最大相對變形量達到14mm;支撐板角焊縫局部位置的z向變形最大，達到約7mm。

選取吊車梁上下面中間位置線，畫出沿該兩條線的各方向變形，吊車梁上下面的x方向變形幾乎一致，兩端向內收縮，但下表面的x收縮量大于上表面，即整個梁呈現拱形變形;上表面y向變形峰值達到-0.8mm，下表面的y方向變形峰值為126mm，出現在側板位置，表明該吊車梁有扭轉變形的趨勢;上表面的z方向變形基本上為負值，峰值變形量為-4.9mm，下表面z方向變形也為負值，峰值變形達到約-1.6mm，且z向變形為波浪形，在加強筋位置變形大，表明該吊車梁焊接完后上下表面加強筋板區域出現凹陷變形。

2 吊車梁焊接變形控制

根據吊車梁焊接變形分析結果，主要采用了預留收縮余量、剛性固定、反變形、采用合理的焊接順序進行焊接變形控制，具體措施如下：

2.1 預留收縮余量

根據焊接變形分析結果，吊車梁在長度方向的收縮量達56mm，因此，在工字梁制作下料階段，即對腹板、翼緣預留60mm的收縮量。

2.2 剛性固定+反變形

剛性固定及反變形主要應用于工字梁焊接階段，采用背靠背剛性固定及反變形的方法控制焊接變形，固定用小鋼板尺寸通常為厚度6mm，寬度2倍翼緣板厚度減8mm，長度約50mm，鋼板間距為300-500mm，長度方向和翼緣板點焊焊角約為4mm。同時，在端頭板焊接過程中也采用焊接大厚度靠板（約80mm厚）剛性固定的方法對端頭板進行變形控制。

2.3 采用合理的焊接順序

（1）工字梁主焊縫焊接。因全焊透焊縫需進行清根焊接，一般采用不等邊坡口，焊接時先焊接大坡口側，由兩名焊工從中間向兩邊分段退焊，退焊長度為500-600mm，焊接2-3層后進行清根，清根后由兩名焊工分布在吊車梁兩側采用分段退焊的方法進行對稱焊接。焊接大坡口側時需注意不可一次將其填滿，在清根完成后，兩側同時進行蓋面。

（2）加勁板與工字梁主焊縫焊接。先焊接加勁板與腹板焊縫，然后再焊接加勁板與加強板焊縫，再焊接加勁板與上翼緣板焊縫，最后焊接加勁板與下翼緣板焊縫。

焊接時由兩名焊工從中間向兩邊左右對稱跳焊，所有焊縫應先統一進行打底，然后再統一進行填充、蓋面。焊接焊縫加勁板與加強板、翼緣板時，可將吊車梁進行墊高，利用其自身重力，抵消加勁板與上翼緣板焊縫焊接時的收縮變形。

3 結語

針對復雜結構的焊接變形控制，可先對其進行焊接變形預測分析，根據預測分析結果，再有針對性的進行焊接變形控制措施的制定，可起到較好的焊接變形控制效果。

作者簡介：張樂，男，焊接工程師，主要從事核電焊接工藝及焊接材料等研究。