【摘要】本文結合南京二橋的建造，對鋼正交異性結構板單元在制造焊接中的變形情況進行了測量，據此對板單元無余量下料工藝及反變形焊接工藝進行了研究。
【關鍵詞】正交異性板
焊接變形 無余量下料技術 反變形焊接工藝
一、前言
南京長江第二大橋南汊橋（以下簡稱南京二橋）的上部結構為鋼箱梁斜拉橋，主跨長628m，居世界第三，國內第一，鋼箱梁的頂板及底板均采用正交異性板結構。
鋼箱梁生產分成板單元制造、梁段組焊及預耕和橋位吊裝及焊接三個階段。為使我國鋼橋制造水平上一個新臺階，在生產中采用了一系列新技術新工藝。本文介紹了南京二橋鋼正交異性板單元生產過程中的焊接變形問題并研究其控制技術，包括無余量下料技術及反變形技術的研究。
二、板單元焊接變形簡介
1.帶U型肋的板單元焊接變形的基本形式及變形機理
南京二橋鋼箱梁的頂板和底板單元均為正交異性板結構形式，主要受力部件為面板、縱向U型助和橫隔板，如圖1所示。
焊接U型助時，板單元主要發生四種形式的焊接變形，即縱向收縮變形、橫向收縮變形、縱向面外彎曲變形和角變形，如圖2所示。
焊接時，U型肋角焊縫和周圍熱影響區的鋼材在凝固和冷卻過程中會發生收縮，導致板單元的縱向和橫向收縮變形以及縱向面外彎曲變形。另外，由于是在面板的單側施焊，沿面板的厚度方向存在溫度梯度，所以面板有U型肋角焊縫的一面比另一面發生了更大的收縮，在焊縫處形成了角變形。在實際情況中，板單元的整體變形是由四種基本形式組合的復雜變形。
2.研究板單元焊接變形控制技術的意義
板單元制造中的焊接變形對生產是不利的，加角變形使板單元整體彎曲，必須進行大面積的火焰矯形，從而使鋼材進一步收縮變形，導致U型肋尺寸及相互間距發生變化，對以后的整體拼裝精度產生不利的影響。全橋93段鋼箱梁的整體組裝時要求兩兩梁段之間的面板和所有U型肋必須嚴格對齊，偏差不得超過1mm，因此在板單元制造階段應避免過多的火焰矯形。目前，板單元焊接的角變形問題可用反變形焊接工藝加以控制，以滿足設計精度的要求。
另外焊接的縱向和橫向收縮也是不能忽視的，如果準確了解焊接收縮的規律，就可以在鋼材下料及單元切割等過程中精確控制尺寸，減少材料的浪費及額外的切割或補長次數。
全橋板單元數量眾多，制造工作量大；研究改進板單元的生產工藝將大大提高整個橋梁鋼箱梁制造的效率，縮短工期，減少材料消耗，降低成本，保證質量。
三、板單元制造中焊接收縮及無余量下料技術的研究
1.焊接收縮與無余量下料技術
過去，考慮在板單元制造的焊接、火焰矯形、切割坡口等過程中，鋼材均會發生不同程度的收縮，所以在板單元下料時，都要預留一定尺寸的富余量。由于對制造流程中的鋼材收縮量尚無精確預計的方法，因此在下料時普遍預留了過大的富余量，造成了鋼材的浪費，從全橋的規模來看，這種浪費是不能忽視的。
要解決這一問題，可以采用無余量下料技術。就是下料時精確預留材料富余量，既充分考慮制造中的收縮，又最大限度地減少過多預留造成的材料浪費。從板單元的整個生產流程看，焊接過程中的收縮量占整體收縮量的絕大部分，所以準確把握焊接收縮的規律是研究板單元無余量下料技術的關鍵問題。
2.試驗測量及其結果整理
（1）焊接條件
南京二橋標準板單元生產期間，對U型肋角焊縫焊接時的面板收縮量進行了測量和研究。
頂板標準單元的面板厚14mm，上面焊4個壁厚8mm的縱向U型助；底板標準單元的面板厚
12mm，上面焊 3個壁厚 6mm的縱向 U型助，標準單元長 15m，寬
2.4m，如圖1所示。
U型肋與面板的角焊縫及坡口如圖3所示。
板單元主要焊接參數詳見表1。
（2）收縮量的測量
頂、底板U型肋角焊縫縱向收縮量測量結果匯總于圖4，橫向收縮量測量結果匯總于圖5。
統計分析結果詳見表2。
3.分析
焊接變形的影響因素很多，如板厚、焊縫長度、焊接類型、焊縫截面積、焊接線能量，約束條件等。就常見的正交異性結構頂、底板單元而言，主要影響因素為面板厚度、U型肋角焊縫的焊接線能量、焊縫長度。
假定板單元的縱向焊接收縮量Δ與焊接線能量E及焊縫長度L成正比，與板單元的面板厚度t成反比，根據收縮量的測量結果和表1的焊接參數，可推得正交界性板單元U型肋坡口角焊縫縱向收縮量經驗計算公式為
Δ=0.0086*EL/t-15.1
式中Δ－一板單元焊接縱向收縮量（mm）；
E－－U型肋角焊縫焊接線能量（J／cm）；
L--U型肋角焊縫長度（m）；
t－－板單元面板厚度（mm）。
板單元的橫向收縮情況是，頂板單元
8條焊縫的總橫向收縮量為0.9mm，底板單元 6條焊縫的總橫向收縮量為0.6mm。由于
U型助焊縫為角焊縫，所以橫向收縮量遠遠小于一般對接悍的橫向收縮量。從測量結果可以認為，正交異性板單元的焊接橫向總收縮量一般不超過
1.5mm。
另外，在對板單元縱向面外彎曲（見圖2）進行火焰矯形時，面板縱向還要收縮約1.5mm，加上切割坡口及其他矯形過程中的收縮量約0.5mm，共2mm。
由此可知，板單元下料時在縱向設計尺寸基礎上預留焊接縱向收縮量外加2mm的富余量即可基本達到無余量下料的目的。例如：南京二橋板單元下料時的縱向預留量可以參考以下數值：
頂板：5.9＋2≈8mm；
底板：3.7＋2≈6mm。
在橫向方向，如果能夠采用反變形工藝有效控制角變形，則因火焰矯形引起的收縮量就很小。所以，板單元下料時橫向預留量可以參考取
1.5～2.0mm。
受條件的限制，本文的試驗結果存在一定的局限性。為了更廣泛成熟地應用無余量下料及切割工藝，還需要對其他影響因素進行進一步的研究。
四、板單元制造中采用反變形工藝控制焊接角變形的研究
正交異性板單元U型肋焊接時會在焊縫處產生角變形，變形后的截面情況如圖6所示，為了有效地采用反變形焊接工藝控制角變形，必須準確了解角變形量θ的大小。
在試驗中，測量了頂板和底板焊接后的變形弧度曲線，計算了各焊縫在焊接期間發生的角變形量θ。其測量結果為：
頂板單元
角變形弧度平均值：θ＝0.006
角變形弧度標準偏差：σ=0.00045
底板單元
角變形弧度平均值：θ=0.0049
角變形弧度標準偏差：σ＝0.00052
假定角變形量θ與焊接線能量E成正比，與板單元的面板厚度t成反比，根據測量結果，可推得正交異性板單元U型肋坡口角焊縫焊接角變形量經驗計算公式為：
θ=0.065E/t-0.005
式中θ--焊接角變形量（rad）；
E--U型助焊接線能量（J／cm）；
t--板單元面板厚度（mm）。
根據大量的試驗結果，初步確定了頂、底板預加的反向角變形量，再根據生產實踐進行改進，設計了專用的反變形焊接胎架進行U型肋的焊接，如圖7所示。
實踐證明，由于反變形工藝預先對板單元施加了反向的角變形，所以大大減少了焊接后的殘余角變形，也減少了火焰矯形的工作量，大大提高了板單元的生產效率。
參考文獻
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