鋼箱結(jié)構(gòu)橋梁施工焊接反變形工藝研究

夏宇龍

（中國(guó)水電四局（蘭州）機(jī)械裝備有限公司，蘭州 730000）

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，以及經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、文化水平的提高，人和物品的流動(dòng)性越來(lái)越大，人們不僅對(duì)建筑功能有所需求，而且對(duì)美觀上的要求也越來(lái)越重視。現(xiàn)在很多大橋成為了一個(gè)城市的標(biāo)志性建筑，也使得這個(gè)城市更加美麗。橋梁代表著一個(gè)國(guó)家文化的進(jìn)步標(biāo)志，也代表著這個(gè)國(guó)家科技先進(jìn)程度。而且橋梁是公路建設(shè)和交通的重要樞紐，像紐帶一樣把世界給聯(lián)系起來(lái)[1]。

鋼箱結(jié)構(gòu)橋梁具有結(jié)構(gòu)承載力高、自重輕、橋梁跨越能力大、結(jié)構(gòu)剛度大、施工快速、風(fēng)險(xiǎn)低、易管理、造價(jià)低、安裝方便及優(yōu)良的抗火性和耐火性等優(yōu)點(diǎn)。因此，鋼結(jié)構(gòu)橋梁在我國(guó)公路及城市立交建設(shè)中得到了廣泛應(yīng)用。尤其在交通運(yùn)輸部發(fā)布了《交通運(yùn)輸部關(guān)于推進(jìn)公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁建設(shè)的指導(dǎo)意見(jiàn)》（交公路發(fā)[2016]115號(hào)）、《關(guān)于進(jìn)一步做好實(shí)施綠色公路建設(shè)和推進(jìn)公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁建設(shè)相關(guān)工作的通知》和《關(guān)于實(shí)施綠色公路建設(shè)的指導(dǎo)意見(jiàn)》等文件，推動(dòng)公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁的全產(chǎn)業(yè)協(xié)同進(jìn)步和行業(yè)應(yīng)用，進(jìn)一步提升我國(guó)公路橋梁品質(zhì)和發(fā)展質(zhì)量以后，全國(guó)各地均加大了鋼結(jié)構(gòu)橋梁的推廣應(yīng)用力度[2]。

我國(guó)是橋梁大國(guó)，也是鋼鐵大國(guó)。鋼結(jié)構(gòu)橋梁性能良好，在很多發(fā)達(dá)國(guó)家已得到廣泛使用，但目前我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)橋梁所占比例很小，因此鋼結(jié)構(gòu)橋梁的推廣建設(shè)有著重要意義，我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)橋梁的建設(shè)將迎來(lái)嶄新的時(shí)代。在鋼鐵行業(yè)庫(kù)存較大，提倡綠色環(huán)保的背景下，以鋼結(jié)構(gòu)為主要材料的橋型是我國(guó)現(xiàn)階段橋梁結(jié)構(gòu)發(fā)展的必然趨勢(shì)。業(yè)內(nèi)人士對(duì)鋼結(jié)構(gòu)實(shí)用技術(shù)深入研究，大力創(chuàng)新也是鋼橋進(jìn)一步發(fā)展的重要條件。從鋼橋在我國(guó)的不斷發(fā)展可以看出，國(guó)家政策已逐漸鼓勵(lì)實(shí)行鋼結(jié)構(gòu)橋梁發(fā)展及應(yīng)用。可以想象鋼結(jié)構(gòu)橋梁在未來(lái)將會(huì)得到更加廣泛的應(yīng)用和普及[3]。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

隨著我國(guó)高速公路、高速鐵路的迅猛發(fā)展和“一帶一路”基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的大力投入，我國(guó)鋼橋制造業(yè)得到巨大發(fā)展，在我國(guó)橋梁建設(shè)領(lǐng)域，鋼橋、鋼-混凝土組合橋、鋼管混凝土橋日益廣泛應(yīng)用，取得了令人矚目的成就[4]。鋼橋梁通常要求采用材質(zhì)為Q355C、Q355D、Q345qD等的鋼板，鋼板的厚度在12～45 mm，本次試驗(yàn)以Q355C作為試驗(yàn)?zāi)覆摹；瘜W(xué)成分見(jiàn)表1。

表1 Q355C的化學(xué)成分 （wt/%）

1.2 試驗(yàn)方法

在鋼結(jié)構(gòu)橋梁的制造中，焊接工藝是最重要也是花費(fèi)時(shí)間最多的工序，鋼橋梁的焊接主要有單元件制作焊縫和主體結(jié)構(gòu)焊接焊縫，而焊接工藝技術(shù)及焊接輔助工裝則是影響焊接質(zhì)量及焊接時(shí)間的主要因素。

目前普遍采用的焊接工藝方法由于焊縫重復(fù)受熱，易導(dǎo)致構(gòu)件變形和焊件的外形尺寸發(fā)生改變，且焊接發(fā)生變形后不容易進(jìn)行矯正或矯正不合格。常規(guī)的反變形處理施工方法是焊接后采用局部熱矯正或冷矯正的方法，但多次局部熱矯正或冷矯正也容易使得母材性能發(fā)生改變，并且該方法既浪費(fèi)了大量的人工成本同時(shí)矯正效果也不盡理想，給產(chǎn)品質(zhì)量和施工周期也造成了一定的影響[5]。

本研究的反變形焊接方法是通過(guò)優(yōu)化坡口形式和設(shè)計(jì)反變形工裝2個(gè)條件來(lái)實(shí)現(xiàn)減小或基本消除構(gòu)件的焊接變形。具體包括：①優(yōu)化焊接坡口形式：將原有的雙邊45°坡口形式改成單邊50°焊接坡口形式，然后采用埋弧自動(dòng)焊接小車或二氧化碳保護(hù)自行焊接小車進(jìn)行焊接。②設(shè)計(jì)一種全自動(dòng)反變形胎架，該反變形胎架裝置在使用時(shí)，可實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)進(jìn)行焊接構(gòu)件拆卸，且焊接構(gòu)件設(shè)置在該裝置上采用埋弧自動(dòng)焊接小車或二氧化碳保護(hù)焊接小車進(jìn)行焊縫焊接作業(yè)，既可保證焊縫的成型質(zhì)量也可以確保降低由于焊接產(chǎn)生局部受熱而產(chǎn)生的變形。

1.3 試驗(yàn)內(nèi)容

1.3.1 優(yōu)化坡口形式

在鋼結(jié)構(gòu)橋梁的制作中，不同橋型的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)均不相同，因此鋼結(jié)構(gòu)橋梁采用的鋼板板厚均不相同，為了試驗(yàn)?zāi)軌蚺c實(shí)際生產(chǎn)相符合，體現(xiàn)出試驗(yàn)的可靠性，特設(shè)置了不同板厚、相同坡口形式的焊接試板進(jìn)行試驗(yàn)。焊接試板的坡口示意圖見(jiàn)表2。

表2 焊接試板的坡口示意

通過(guò)試驗(yàn)，將原有的雙邊45°坡口形式改成單邊50°焊接坡口形式，在焊接過(guò)程中有利于控制焊縫的成型形狀和尺寸，規(guī)避了傳統(tǒng)開雙坡口后焊接焊縫的形狀和尺寸不好控制及焊接變形嚴(yán)重等不足。

1.3.2 全自動(dòng)焊接反變形胎架

設(shè)計(jì)一種全自動(dòng)反變形胎架，該反變形胎架裝置在使用時(shí)，可實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)焊接構(gòu)件拆卸。其工作原理：在使用該全自動(dòng)反變形胎架時(shí)，首先，啟動(dòng)電源，之后將工件放置在第一胎架框板和第二胎架框板上，并且啟動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)齒輪嚙合齒條在聯(lián)動(dòng)板上進(jìn)行移動(dòng)，直至移動(dòng)到合適位置之后停止進(jìn)行電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，接著啟動(dòng)氣泵，使氣泵前端的推桿帶動(dòng)聯(lián)動(dòng)板以第二固定銷的中軸線為基準(zhǔn)進(jìn)行翻轉(zhuǎn)夾合工件，這樣就能夠?qū)崿F(xiàn)將工件夾合的功能。

隨后啟動(dòng)液壓頂桿向上升起，使第一胎架框板和第二胎架框板拱起呈弧形實(shí)現(xiàn)進(jìn)行反變形的功能，防止在進(jìn)行焊接的時(shí)候發(fā)生形變，并且在第一胎架框板內(nèi)部安裝了第四連接扣和彈簧進(jìn)行拉扯，使裝置更加穩(wěn)定，最后通過(guò)電動(dòng)伸縮桿推動(dòng)第一胎架框板來(lái)實(shí)現(xiàn)整個(gè)第一胎架框板和第二胎架框板的翻轉(zhuǎn)方便焊接。該反變形胎架示意圖如圖1所示。

圖1 反變形胎架

該鋼箱結(jié)構(gòu)橋梁焊接反變形胎架技術(shù)方案：包括底座、第四連接扣、彈簧和橫梁，底座頂面固定有帶有電動(dòng)伸縮桿的第一連接扣，電動(dòng)伸縮桿上方安裝有固定有第一胎架框板的第二連接扣，第一胎架框板內(nèi)側(cè)設(shè)置有第二胎架框板，且第一胎架框板和第二胎架框板之間安裝有第一合頁(yè)，底座上方固定有帶有第二合頁(yè)的液壓頂桿，第二合頁(yè)上貫穿有第一固定銷，且第一胎架框板底面安裝有氣泵，氣泵上固定有前端連接帶夾具的推桿，第一胎架框板側(cè)面安裝有第三連接扣，且第三連接扣與夾具中間貫穿有第二固定銷，第一胎架框板內(nèi)部安裝有帶固定彈簧的第四連接扣，第一胎架框板和第二胎架框板上均固定有橫梁。

第二連接扣與第一胎架框板和底座與第一連接扣之間的連接方式為固定連接，且電動(dòng)伸縮桿與第二連接扣和第一連接扣之間的連接方式為活動(dòng)連接。第一胎架框板和第二胎架框板以第一固定銷的中軸線為基準(zhǔn)左右對(duì)稱設(shè)置2組，且第一胎架框板通過(guò)第一合頁(yè)與第二胎架框板相連接。第一胎架框板和第二胎架框板通過(guò)液壓頂桿在底座上構(gòu)成升降機(jī)構(gòu)，且液壓頂桿與第二胎架框板通過(guò)第二合頁(yè)和第一固定銷相固定。

夾具包括聯(lián)動(dòng)板、電機(jī)、齒輪、齒條和橡膠套，聯(lián)動(dòng)板上安裝有電機(jī)，且電機(jī)軸端固定有齒輪，齒輪齒面嚙合有齒條，且齒條前方固定有橡膠套。聯(lián)動(dòng)板與齒條之間呈垂直關(guān)系，且齒條通過(guò)電機(jī)和齒輪在聯(lián)動(dòng)板上構(gòu)成移動(dòng)機(jī)構(gòu)，并且聯(lián)動(dòng)板通過(guò)氣泵和推桿以第二固定銷的中軸線為基準(zhǔn)構(gòu)成翻轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果顯示：采用改變坡口形式焊接方法和反變形胎架的應(yīng)用能夠?qū)崿F(xiàn)焊縫平整光滑、焊接效率高且質(zhì)量穩(wěn)定、無(wú)明顯由于焊接局部受熱而產(chǎn)生變形等優(yōu)點(diǎn)。試驗(yàn)過(guò)程如圖2所示。

圖2 反變形焊接試驗(yàn)

通過(guò)試驗(yàn)還可以得出：采用優(yōu)化后的坡口角度，通過(guò)控制焊接鋼板坡口的角度、大小及焊縫接口縫隙、錯(cuò)邊量等參數(shù)，不但能夠避免現(xiàn)有技術(shù)的中開雙面坡口時(shí)焊易擊穿焊縫的難題，而且還能解決中厚板難焊透、焊材消耗大及焊接效率低的問(wèn)題。

另外，采用反變形胎架焊接方法的工藝簡(jiǎn)單且焊接質(zhì)量穩(wěn)定，既規(guī)避了焊接過(guò)程中焊道局部受熱后冷卻變形，又能規(guī)避現(xiàn)有技術(shù)中焊縫變形后的不易矯正難題。與現(xiàn)有技術(shù)相比，該全自動(dòng)反變形胎架設(shè)置可通過(guò)氣泵推動(dòng)推桿將聯(lián)動(dòng)板推動(dòng)翻轉(zhuǎn)進(jìn)行夾合工件，并且可適應(yīng)不同尺寸的工件，使裝置更加的穩(wěn)定。設(shè)置的第一胎架框板和第二胎架框板，可以增加框板的負(fù)載能力，防止框板長(zhǎng)時(shí)間使用變形的問(wèn)題，并且每塊框板之間均為活動(dòng)連接，能夠適應(yīng)更多弧度的工件。裝置使用方便快捷，產(chǎn)品質(zhì)量可更有效的得到保障。

3 結(jié)論

（1）改變坡口角度和形式的研究及應(yīng)用表明，該技術(shù)具有焊縫平整光滑、焊接效率高且質(zhì)量穩(wěn)定的特點(diǎn)，可大量節(jié)約焊后人工打磨處理的成本。

（2）從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，采用焊接反變形裝置規(guī)避了焊接變形難控制的情況，并且提高了焊接的質(zhì)量和效率。避免了焊接變形后傳統(tǒng)的矯正工序，且一次合格率大大提升。

（3）工藝簡(jiǎn)單且焊接質(zhì)量穩(wěn)定，既避免了傳統(tǒng)雙坡口及焊后的局部變形，又能規(guī)避由于變形而導(dǎo)致投入大量的人力物力去進(jìn)行矯正，并且傳統(tǒng)的冷矯正或局部熱矯正難以達(dá)到良好的外觀效果，更有甚者還可能導(dǎo)致越矯正變形越嚴(yán)重的現(xiàn)象。有效地保證了鋼結(jié)構(gòu)橋梁施工的高效、低成本、高質(zhì)量等的優(yōu)勢(shì)。