大平面箱形薄壁件焊接變形控制

鐘 文

(中國鐵建重工集團股份有限公司，湖南 長沙 410100)

大平面箱形薄壁件是一種用于隧道內門體的常用鋼結構形式，具有面積大、厚度小、平面度要求高、焊接變形控制難、吊裝不便、施工空間小、無法翻邊、安裝難度大等特點。上下兩外表面局部平面度要求5 mm/2 m，整體為0.7 mm/1 000 mm。傳統的施工工藝為將所有物料運至隧道內門體安裝位置后，現場拼裝再焊接，具有施工周期長、生產效率低及質量難以保證等特點[1]。

中國鐵建重工集團股份有限公司承接的隧道內門體尺寸(長×寬×厚)為21.38 m×9.2 m×0.56 m，為典型的大平面箱形薄壁件，整體結構如圖1所示，采用廠內分塊加工并預裝、工地裝配后再焊接的工藝組織生產，在工地整體拼裝焊接過程中，平面度(焊接變形)的控制是難點，也是重點。為控制焊接變形，根據門體各部分的焊接特點，有針對性地采用鋼性固定、合理的焊接順序等方法，可以有效控制焊接變形量，以達到設計要求[2]。

1 門體的整體結構及分塊形式

1.1 整體結構及要求

門體整體為箱形結構(見圖2)，總體質量為83.3 t，由底板、面板和縱橫隔板及門軸組成(見表1)。底板對接焊縫質量達到標準GB/T 50661—2011中二級要求。

圖1 大平面箱形薄壁件整體結構

圖2 門體整體結構

表1 門體材料材質清單

1.2 分塊形式

綜合考慮發運、質量及隧道的尺寸等，按長方向進行分塊，每塊的長度均為3.05 m(即單塊尺寸為3.05 m×9.2 m×1.08 m)，邊分塊質量為12 t，中間分塊質量為11 t。分塊與分塊間連接的面板及隔板工地現場焊接，分塊結構如圖3所示。

圖3 分塊結構

1.3 分塊廠內預裝

廠內按分塊圖完成生產后，應進行整體拼裝，拼裝時按照客戶要求進行平面度及外形尺寸檢驗，均檢驗合格后，焊接預連接組件(見圖4)，以保證在工地上可以快速準確地安裝。

圖4 預連接組件

2 工地施工過程

門體在工地的施工具體流程如圖5所示。物料到達工地后，先進行現場胎架的制作，再進行分塊吊裝，利用廠內焊接的預連接組件進行快速安裝復位，再進行隔板焊接，最后再將分塊間的蓋板焊接，整體焊接完成。

圖5 施工過程圖

3 各部分焊接變形控制

3.1 底板焊接變形控制

3.1.1 坡口的設計

由于隧道空間有限，無法翻邊進行反面清根焊接，綜合考慮后采用背面貼陶瓷襯墊，單面焊雙面成形的焊接工藝，設計的焊接坡口及接頭尺寸如圖6所示。

圖6 底板坡口設計

3.1.2 整體工裝胎架布置

為保證底板的平面度，安裝擺放底板的基準應相對水平，采取的方案是用胎架整體墊平，接觸支承點可調整，整體平面調整后，支承點的上表面平面度誤差為2 mm。

胎架底座部分采用槽鋼工地現場焊接，可調支承采用螺紋千斤頂的調整形式(見圖7)，以保證胎架上表面的平面度滿足要求。

3.1.3 焊接參數選擇

根據板材的材質，底板為Q690D，厚度為40 mm。按DIN32524要求，預熱溫度的測量點應在工件表面上距坡口邊緣30 mm、并且是在電弧進行方向的前方50～200 mm處。應避免電弧對測溫數據的影響，層間溫度可直接在前道焊縫上測量。后熱采用緩冷的工藝措施，第1步在250～300 ℃持續保溫不低于6 h，第2步用石棉包敷4～8 h自然冷卻到室溫，冬季氣溫相對較低，可延長包敷時間，防止焊縫出現裂紋[3]。焊接參數見表2。

圖7 支承胎架

表2 底板焊接參數表

3.1.4 剛性固定[4]

由于門體臺面尺寸大，在焊接應力及各部分內應力影響下，焊后的變形會呈現多樣化，規律難以把握，且臺面尺寸大，火焰矯形難度巨大，隧道內無法采用機械矯形，而底板對接主要造成的是角變形，因此采用剛性固定來控制底板的對接焊接變形，具體為通過焊接馬板來控制變形，馬板沿焊縫方向每隔0.8 m設置一塊(見圖8)，尺寸為800 mm×200 mm×20 mm。

圖8 馬板整體布置

剛性固定控制變形易在焊縫內部產生裂紋，根據門體的使用工況，對門體使用影響不大。

3.1.5 焊接過程及具體要求

嚴格控制鉚裝間隙(5 mm≤鉚裝間隙≤10 mm)(見圖9)，減小焊接收縮變形。若鉚裝間隙>10 mm，要用堆焊的方法減小間隙(見圖10)。

圖9 鉚裝間隙

圖10 鉚裝間隙修整

焊接要求：采用多層多道、對稱施焊，減小焊接變形，拼接焊縫分道焊接如圖11所示。

圖11 焊道圖

每條焊縫4人焊接，從兩邊的短焊縫(對稱)開始焊接。每條焊縫底部6道應從中間向兩端分段跳焊(每段≤300 mm)，后續同一焊縫每道4人分區域對稱施焊即可。焊接過程中除第一道和蓋面層外，后續每道焊接過程，應邊焊邊采用風鏟進行敲擊，消除焊接應力。

每條焊縫焊接過程應連續作業，如遇特殊情況中止，應采用石棉布進行保溫，重新焊接應重新按要求預熱，適時測量并嚴格保證層間溫度，保證焊接變形的一致性[5]。

3.1.6 工藝試驗

為了驗證現場焊接施工工藝可行性，根據現場焊接工況，設計并焊接了試板，試板材質及焊度與工地一致，單塊尺寸為800 mm×3 000 mm，拼焊后焊接試件尺寸為1 600 mm×3 000 mm，焊接工藝與焊接馬板安裝均與現場焊接工藝一致。焊后UT探傷符合標準GB 50661—2011中二級要求，板面整體平面度≤3 mm，符合要求。根據試驗驗證了整體工藝可行。試驗如圖12所示。

圖12 試驗圖片

3.2 面板焊接變形控制

3.2.1 坡口的設計

原則：盡量減少焊縫金屬的熔敷量，提高生產率。應保證熔透(焊透)并避免產生根部裂紋。坡口加工方便，有利于焊接操作。盡量減少工件的焊后變形。

綜上所述，面板的坡口及焊接形式如圖13所示。不需要進入腔體內焊接，大大降低了焊接難度，同時可以采用自動或半自動焊接。

圖13 坡口及焊接形式

3.2.2 焊接參數的選擇

組裝時，面板與隔板的周向間隙應盡量均勻，鉚裝調平單塊平面度與基準平面度相差≤2 mm方可開始焊接。

所有的花紋鋼板按區域組裝焊接，從中間往兩端組裝，組裝一個區域焊接一個區域，不能同時將所有區域組裝完焊接。

焊接除蓋面層外均采用分段跳焊，每一段不超過300 mm，焊接電流為220～260 A[6]。

3.2.3 提高箱體的鋼度

由于腔體內部橫向剛度較低，且面板的這種焊接形式將會導致隔板與花紋安裝后間隙不均勻、整個表面焊接量大，直接焊接有將門體兩頭拉翹起的風險，應采用提高腔體內部剛度的形式來避免上述問題的產生。具體如下：按要求增加180°鋼支承(見圖14)，緊靠隔板進行焊接，上下方向應盡量靠上但不能影響花紋板焊接。角鋼方向如圖14所示，開口朝門對處，便于澆注。

圖14 剛性支承

4 大平面箱形薄壁件變形控制效果

根據目前工地施工已焊接完成40個門體的實際情況，通過廠內分塊加工，并在工地上嚴格按照上述焊接工藝的實施，能夠嚴格控制大平面箱形薄壁件上下兩外表面局部平面度要求5 mm/2 m，整體為0.7 mm/1 000 mm。目前實測最大誤差為4 mm/2 m，整體平面度為10 mm，均在要求范圍內。

5 結語

通過上述研究可以得出如下結論。

1)通過廠內分塊加工、工地現場整體安裝焊接，來實現大平面箱形薄壁件的整體生產，可以提高產品質量和效率。

2)通過對大平面箱形薄壁件整體結構的分析，根據門體各部分的焊接特點，有針對性地采用鋼性固定、合理的焊接順序及參數等方法，可以有效控制焊接變形量，提升整體的質量[7]。