鋼管混凝土拱橋鋼板精密切割下料技術研究

呂益權

(廣西桂通工程管理集團有限公司，廣西 南寧 530029)

0 引言

隨著鋼結構在工程建設領域的興起，大跨度橋梁建設也越來越偏向鋼結構橋梁的選擇，其中鋼管混凝土拱橋是鋼結構橋梁中備受青睞的形式之一。鋼結構加工的關鍵任務是將進場鋼板加工制造成各個零件、部件以及單元件，而鋼板切割下料是鋼結構加工的第一步也是非常重要的一步[1]。鋼板切割下料的精度會持續影響之后工序的加工精度，而鋼板切割下料產生的缺陷如果處理不好也會一直伴隨著鋼結構，甚至對焊接質量產生影響。為了提高鋼管混凝土拱橋鋼結構的切割下料精度和質量，精密切割下料技術是必不可少的。但是精密切割下料并不是完美的，其在某些工況下仍會產生下料缺陷，也會存在下料鋼板幾何尺寸不符合要求的情況。所以，如何優化精密切割下料技術，進一步提高切割下料鋼板的精度以及質量是鋼結構工程中一直探討的重要課題。

1 研究背景

文章以某在建的超大跨徑鋼管混凝土拱橋為研究背景，旨在通過對鋼板切割下料工藝的探討，研究如何通過工藝優化提高精密切割下料的精度和質量。某在建超大跨徑鋼管混凝土拱橋是上承式拱橋，主橋勁性骨架采用鋼管與角鋼組合桿件組合焊接而成。在本工程的技術背景中，將鋼管拱肋拆分成最小的單元，為筒節、角鋼、連接板和加勁肋零件。在“以折代曲”的弦管加工技術中，筒節的加工是實現鋼管混凝土拱橋懸鏈線線形的關鍵因素[2]，所以本文以最具代表性的筒節母材鋼板切割下料為主要研究對象，探討精密切割下料技術在鋼管混凝土拱橋的應用與優化。

2 工藝原理

鋼管混凝土拱橋原材鋼板采用無余量切割下料和預留余量切割下料兩種工藝。無余量切割下料工藝主要用于焊接收縮量較小的零件，以及非拱肋分段端頭的其他筒節；預留余量切割下料工藝主要用于焊接收縮量較大的零件，以及拱肋分段端頭需要預留焊接收縮余量和切割余量的鋼管筒節。這兩種工藝的不同之處主要在于下料階段是否預留余量。兩種工藝都是采用數控編程技術，將圖紙中零件的外形尺寸通過計算機編程寫入切割程序中，并根據不同零件的尺寸優化排板，使得在割除廢料最少的情況下保證下料零件的精度和質量[3]。精密切割下料通過全自動數控切割機實現，切割程序決定了全自動數控切割機割嘴切割鋼板的運行軌跡，進而達到由數控編程精密控制零件切割下料尺寸的目的。

3 等離子切割與火焰切割的適用情況分析

3.1 設備工作原理

鋼結構工程中常用的精密切割下料設備有全自動等離子數控切割機和全自動數控火焰切割機，前者的工作原理是將被高度電離的氣體加熱到極高溫度，并將電弧轉移到需切割的鋼板上，其產生的高溫和沖擊使鋼板局部熔化和分離；后者的割嘴上共有三條氣體管道，分別是輸送丙烷、氧氣和高壓氧的，其工作原理是利用丙烷和氧氣按一定比例混合形成火焰，然后再通過高壓氧將火焰推送出去形成沖擊狀的火焰，進而起到切割鋼板的作用。

3.2 設備特點及適用情況分析

根據鋼板板厚的不同，較厚鋼板的下料切割可選擇全自動數控火焰切割機，較薄鋼板的下料切割可優先選擇全自動等離子數控切割機。全自動等離子數控切割機比全自動數控火焰切割機的效率更高，并且在薄板下料中，等離子切割會比火焰切割有著更高的精度和更細的切割軌跡。但是隨著下料鋼板厚度的增加，等離子下料的鋼板切割面的垂直度會慢慢變差，所以厚板的切割通常還是采用全自動數控火焰切割機。某在建超大跨徑鋼管混凝土拱橋勁性骨架弦管的壁厚分為30 mm和35 mm，在母材鋼板下料中采用等離子切割會導致切割面的垂直度很難達到要求，而且同樣使用等離子切割，35 mm鋼板的切割面垂直度明顯比30 mm鋼板的差。當改用全自動數控火焰切割機后，同樣板厚的鋼板切割面垂直度得到了明顯的改善。

4 切割下料工藝流程及質量控制要點

4.1 工藝流程

(1)數控切割下料前，將鋼板吊運上切割平臺進行定位，并將筒節外形尺寸放樣到鋼板上，保證用于筒節下料的鋼材軋制方向與筒節卷制方向一致。

(2)定位完成后切割工人對全自動數控火焰切割機進行數控編程，在計算機中編制出割嘴的運行軌跡，并調試好切割速度、送氣量、預熱時間及割嘴到鋼板表面的距離等參數[4]。

(3)正式切割前，讓割嘴按照數控編程空走一輪，模擬出切割鋼板的運行軌跡。

(4)正式切割開始，全自動數控火焰切割機中的氧氣與丙烷混合形成火焰，高壓氧再將形成的火焰沖擊出來在割嘴處形成火焰切割刀，接著割嘴按編程好的運行路線進行鋼板切割。

(5)切割完成后，技術人員對成形鋼板進行測量，并采用油性記號筆將零件號和坡口形式等信息移植到零件表面。

4.2 筒節鋼板切割下料方向的選擇

根據《公路橋涵施工技術規范》(JTG/T 3650-2020)的要求：鋼板的軋制方向與其主要受力方向一致[5]。鋼管筒節是采用三輥卷板機將切割下料好的鋼板卷制而成的，鋼板卷板的方向是鋼管筒節加工階段主要產生應力的方向，所以在下料階段需保證鋼管筒節母材的卷板方向沿鋼板原材的長度方向布置。

4.3 質量控制要點

(1)鋼管拱肋“以折代曲”的加工工藝要求單個筒節內長度方向的尺寸是不同的，進而通過鋼管筒節之間長邊與長邊的對接、短邊與短邊的對接形成拱肋曲線。所以，在鋼管筒節原材鋼板的切割下料中，環縫端應沿拋物線切割下料，兩端拋物線頂點的連線即是鋼板卷制成鋼管筒節時的長邊，兩端拋物線最低點的連線即是短邊。在切割下料中，嚴格控制邊沿的切割路徑，確保卷制筒節滿足“以折代曲”加工工藝的要求。

(2)精密切割下料技術要嚴格控制下料鋼板的外形尺寸及切割面的質量，保證其符合《公路橋涵施工技術規范》(JTG/T 3650-2020)和《鐵路鋼橋制造規范》(QC/R 9211-2015)[6]的要求。下料階段將鋼板的外形尺寸偏差控制在±1 mm，對角線之差≤2 mm。主要零件火焰切割面粗糙度應≤25μm，次要零件火焰切割面粗糙度應≤50μm，切割面垂直度偏差不大于0.05倍的板厚且≤2 mm，硬度不應超過HV350，同時切割面每m長度范圍內僅允許出現一處≤1 mm的崩坑。

5 鋼板切割下料技術優化研究

5.1 提高切割下料鋼板外形尺寸精度

5.1.1 導致精密切割下料鋼板精度偏差的原因分析

在全自動數控火焰切割機切割下料的過程中，割嘴在完成當下局部的切割后根據編程持續進行整板切割，因為鋼管筒節母材用鋼板整板面積較大，切割路徑較長，所以導致了整塊鋼板上同時存在局部受熱、局部不受熱和局部受熱后冷卻的現象，進而引起了本應固定不動的整板因膨脹和收縮不均衡而在切割過程中產生移動的現象，而全自動數控火焰切割機割嘴始終是按照編程的運行軌跡移動的，最終導致了切割形成的主弦管母材鋼板外形尺寸的偏差。

5.1.2 優化切割下料工藝

通常切割下料的整板均采用一次切割下料完成，即割嘴通過數控編程路徑不間斷地切割零件邊緣，最后實際切割路線閉合得到完整的零件。為解決以上存在的問題，本文提出預留點分階段割除法，即是在鋼板進行下料切割時，預留一塊鋼管筒節母材鋼板縱向對接上的四個點不切割，以此來固定被切割鋼板在火焰切割過程中不發生位移(見圖1)。待全自動數控火焰切割機完成整板的切割后，每塊鋼管筒節母材鋼板上仍留有四個點未割除，接著再采用割炬進行手動切割四點連接處，此時整塊鋼管筒節母材鋼板完全脫離原材鋼板，但仍留有四點的根部未完全割除(見圖2)。為了防止割炬切割到母材，采用這種方法切割時要留有余量，最后在坡口切割階段用半自動火焰切割機將四個點的根部連同余量一起割除(見圖3)。

圖1 全自動數控火焰切割機切割路徑示意圖

圖2 割炬手工切割后仍留四點根部的母材鋼板示意圖

圖3 半自動火焰切割機沿路徑切割坡口示意圖

5.2 避免火焰切割面出現弧坑

5.2.1 導致火焰切割面出現弧坑的原因分析

全自動數控火焰切割機在起弧預熱階段，沖擊火焰未能直接融穿鋼板，會導致火焰和液態高溫的鐵水回流，最后在起弧的位置形成一個圓柱形的孔洞。如果起弧點靠近母材邊緣，就會導致起弧形成的圓柱形孔洞留在鋼板的邊緣。

5.2.2 轉移起弧點的方法

為了避免弧坑的出現，最有效的辦法是將起弧點轉移到母材鋼板外，一種思路是將起弧點轉移到切割的廢料中，讓火焰切割的運行路徑從外邊沿的廢料移動回母材鋼板邊緣再正式切割；另一種思路是在母材鋼板邊緣留有足夠的切割余量，并且將起弧點設置在需要開坡口的邊緣，這樣在母材鋼板邊緣形成的弧坑可在下一步坡口切割工序中被完全切除。

5.3 提高火焰切割面垂直度精度

由前文的分析可知，鋼板火焰切割面的垂直度偏離過大是因為厚板選用了等離子切割造成的，所以應根據板厚的不同選用合適的精密切割下料設備，較厚板應選擇全自動數控火焰切割機進行切割下料。

6 結語

精密切割下料技術在鋼管混凝土拱橋鋼結構加工領域的運用，提高了零件下料的精度和效率，但在實際施工中，精密切割下料技術并不是完美的。通過本文的研究，論述了精密切割下料技術在鋼管筒節下料中的運用實例，探討了進一步提高精密切割下料精度和質量的優化方向，為今后同類型鋼結構切割下料施工提供參考。