钢箱梁构件焊接变形控制探讨

钢箱梁构件焊接变形控制探讨

胡青林

中国水利水电第三工程局有限公司  陕西 西安  710000

摘要：钢箱梁是由主梁（上、下部结构）、横隔板、纵肋、横梁等组成，主要应用于铁路桥梁中，常见的钢箱梁类型有：工字型、箱型等。由于结构型式较为复杂，对焊接变形控制要求较高，焊接变形直接影响钢箱梁的安装精度和外观质量。本文以某钢箱梁为研究对象，根据对该钢构件的结构特点分析了其焊接变形成因，并提出了控制措施和方法，最终通过检测证明有效的控制措施和方法能有效的控制钢箱梁结构的焊接变形。

关键词：钢箱梁制造；焊接技术；变形控制；分析

引言

钢箱梁在工程实践中具有装配方便，工作效率高，安全稳定性好等优点，但其施工技术对焊缝的要求很高，要保证其在工程中的良好运用，既要严格的施工质量，又要注意焊缝的变形，从而提高焊缝的施工质量和施工技术。在大桥工程中，为更好的实现使用和桥梁的承重，通常会采用钢箱梁，因为其生产过程是一种封闭的杆件，因此内部和外部的连接板数量较多，生产过程较为繁琐，在成形之后，构件的变形难以纠正。所以，要做好板件的加工、装配、焊接和整体预组装，就必须对装配和焊接的变形进行严格的管理，这也是保证成品的重要环节。

一、钢箱梁结构特点

襄阳内环提速改造二期工程EPC工程主线第22联为钢箱梁结构，该联主梁全长为178.8m，宽26.6m，梁高2.22m，纵肋截面为四边简支、四边固定的工字形断面。由箱梁、横隔板、纵隔板组成了复杂的三维空间结构。

该钢箱梁制造难点在于其纵肋、横梁为多层板组合结构，梁体板厚较厚，焊缝多。腹板连接焊缝多且焊接变形难以控制，横隔板连接焊缝多且焊接变形控制难度大。

该钢箱梁采用对接加纵肋焊接工艺，焊缝密集。钢箱梁纵肋连接焊缝有横肋、横梁、纵肋纵向中心线及横隔板纵向中心线四种，横肋连接焊缝均为双面对称焊，横隔板与横梁之间的焊接采用平焊和立焊两种方式。由于纵肋与横隔板采用对称焊接，焊工在组焊过程中极易出现纵向不均匀收缩变形。

二、焊接变形原因分析

根据钢箱梁焊接的结构特点和变形原因，本文采取理论与实践相结合的方式，从焊接工艺、现场安装工艺和结构设计等方面入手，对焊接变形进行分析。从理论上讲，钢构件的焊接变形是在制造过程中就存在的，在生产过程中受很多因素的影响而引起的。根据实际生产情况，我们将影响焊接变形的主要因素归为以下几个方面：焊缝设计不合理：由于焊缝布置不合理等原因引起焊缝数量多且形状复杂；焊接过程中产生大量的内应力：在施焊过程中由于焊接热输入不均匀，产生较大的温度梯度，使得焊缝区域内形成较大的内应力；钢材刚度差异：由于钢箱梁结构刚性比较大，焊接过程中会产生较大的残余应力。

三、控制措施及方法

根据分析结果，控制措施和方法如下：

（1）合理的选择焊接工艺，根据焊接结构特点、结构尺寸、焊缝尺寸及焊接电流选择合理的焊接工艺，以减少残余应力产生。

（2）制定严格的组装和装配方案，避免或减少焊缝在组装过程中产生变形。

（3）采用合理的焊接顺序，先焊腹板焊缝再焊底板焊缝，对于已产生变形的构件进行适当矫正后再进行其他构件的焊接。

（4）对于特殊结构采取特殊的处理方式，如对称焊、反向焊接等。对于对称焊时采用多层多道进行焊接，反向施焊时采用多层一次熔透进行焊接。

（5）采用反变形法控制焊接变形，反变形法是利用热弹塑性原理来控制构件变形。具体做法是将已成形的零件在其成形后定位焊后，再对其施加一定的约束压力使其达到自由状态。该方法工艺简单、灵活、易于实现，被广泛应用于施工生产中。

四、焊接工艺规程优化

对于钢构件焊接变形控制，需要从钢箱梁结构特点和工艺规程两个方面着手进行分析，最终找到最佳的解决方法。首先要明确钢构件结构特点，针对结构特点制定合理的工艺规程。在该钢箱梁制作过程中，针对横隔板、纵肋等结构的特点和要求，制定了不同的工艺规程，对其焊接变形进行有效控制。

通过该工艺规程的实施，可有效的控制焊缝对接变形、焊缝形状变形以及焊接残余应力等方面的变形，并最终消除了该钢箱梁构件产生焊接变形的原因，保证了制作质量。从该工艺规程实施后检测结果来看，其焊接变形主要集中在横隔板和纵肋区域内，而纵肋和横梁基本没有发生变形。

五、工艺验证

通过采用上述焊接工艺，在梁段安装过程中，对梁段纵向、横向及梁段顶面焊接变形进行了检测，具体结果如下：

在焊接过程中，梁段纵向焊缝的最大变形量为3 mm，在安装过程中梁段顶面焊缝的最大变形量为2 mm，较安装前均有很大程度的减少，梁段顶面焊缝的外观质量较好。

在焊接过程中，梁段顶面纵向焊缝的纵向变形较小，而梁段顶面横向焊缝的纵向变形较大。根据测量数据分析其原因是由于该钢构件制造时采用了“V”型坡口，使焊缝产生了较大的收缩应力，从而使焊接变形有所增大。

在梁段顶面焊接完成后通过测量分析可知，梁段顶面腹板、顶板和横隔板在安装时产生的应力不大，可以忽略不计。而横隔板、纵肋和横梁焊接完成后存在应力集中现象，主要是由于上述结构在焊接时均存在一定程度的收缩变形，但通过控制焊前装配间隙和增加施焊时的刚性支撑等工艺措施可以有效解决上述问题。

六、实施效果

对焊接变形进行检测后，通过制定相应的技术措施，焊接工艺及焊接参数。对部分焊缝进行了X射线检测，经检查分析，焊接变形均在控制范围内。

通过上述方法对该钢箱梁结构的焊接变形进行有效控制，钢箱梁结构的焊接变形得到了有效的控制。钢构件的外观质量和力学性能均达到设计要求。

本文研究表明：在对钢箱梁结构进行设计时应注意其结构特点、焊接变形成因及控制措施，同时必须针对其结构特点采用科学、合理的焊接工艺和方法，才能有效的控制钢箱梁结构的焊接变形。本文提出的控制方法和技术措施在本工程中得到了有效应用，且取得了良好的效果，为以后类似工程提供了良好借鉴。

结语

钢箱梁焊接变形主要是由于在结构焊接过程中，钢材焊接的热变形和热应力对结构的约束造成的。因此在钢箱梁生产过程中，要想控制焊接变形，需要从以下几个方面进行控制：在钢材加工时，根据钢箱梁结构特点和受力情况，采取合理的结构形式，既能满足强度要求，又能提高钢材的利用率。在钢箱梁安装过程中，要严格控制焊工的作业习惯和操作方法，焊前严格检查焊缝质量和焊接顺序。在焊接过程中应制定合理的焊接顺序，减少或消除应力集中。对焊缝进行矫直校正前应严格控制坡口尺寸并控制好坡口间隙。对于刚性较大、刚性较差的构件应该选用刚性大的焊接方法。

参考文献

[1]刘恩国, 钢箱梁桥板单元自动化制造与焊接技术研究. 河北省,中铁山桥集团有限公司,2020,09:56-58.

[2]韩荟. 大断面钢箱梁成桥施工线形控制研究[D].南京理工大学,2020,03:89-91.