散索鞍鞍体焊接工艺及应力检测应用

杨 华，金 闯，吕海军，刘昌荣

（1.柳州钢铁集团有限公司工程技术公司，广西 柳州545002；2.中建钢构有限公司，广东 深圳518040）

散索鞍鞍体主要是用于桥顶上载荷通过主缆索的重要结构件。散索鞍鞍体是由铸钢件—鞍头、底座及低合金钢钢板—纵板、横板焊接而成，最终形成箱型结构，总长3 m、宽2.4 m、高约3.5 m，每件单重约29 t（如图1）。按工艺要求，焊接制作完成后需进行消除残余应力处理，目前柳州市没有能够容纳此构件的退火炉。为此，公司与南宁市神华振动时效技术研究所共同利用振动时效技术，为散索鞍鞍体如何消除焊件残余应力进行研究。

图1 散索鞍鞍体

1 焊前装配

散索鞍结构，如图2所示。其装配步骤如下：（1）安装拼装平台，将鞍头倒置平稳放置，点固。（2）在鞍头倒置平面上根据金工画出中心线画出4（竖横板 3）、5（竖纵板）、7（竖横板 4）、8（斜纵板 1）、9（竖横板 2）、10（竖横板 5)、11(斜纵板 2）、12（竖横板6）号、的拼装线。为方便测量定位5号板在鞍头的垂直度和中心线，应在鞍头开口处，画基准线。

图2 散索鞍鞍体

（3）放平5号板，在其上面拼装6、9号板，点固后，拼装 5、6、9 号板，点固。拼装 5、10、12 号，同 5、6、9号板一样，5号板安装吊耳。

（4）拼装4、7号板点固，7号板上安装吊耳，点固。

（5）在鞍头上拼装5、6、9号板、点固。其次拼装4、7 号板，点固后，拼装 5、10、12 号板，点固(与鞍头接触面，应垫2～3mm垫片）。

（6）4、5、6、7、9、10、12 号板与鞍头就行全面点固，6、10号板进行满焊，5号板打底焊。

（7）安装基准板，点固，如图3所示，基准板安装图。

图3 基准板安装图

（8）在8、11号板安装吊耳，尺寸比原来增大15～20mm，点固。

（9）鞍头上安装8、11号板，点固，去除基准板（8、11号板长的边应该在鞍头小开口面、鞍头接触面，坡口大的朝外面）。

（10）切掉所有吊耳，必要时进行打磨。

（11）底座安装吊耳，然后在7、9、12号的平面上拼装，点固，在鞍头上安装四个吊耳，点固。

（12）全面加固后进行满焊。

（13）1（斜横板 1）、3（斜横板 2）号板上安装吊耳，点固。在已满焊的鞍体翻转90°（需要制作一个大约1米的垫平平台），放稳垫平，拼装1号板，点固，再翻转180°，放稳垫平，安装3号板。

（14）焊接（见焊接工艺）。

（15）振动时效去应力。

2 焊接

2.1 焊接过程

（1）全部位定位焊牢。

（2）先对称焊接序号4、6、10竖横板与鞍头接触处及鞍体底座处焊缝，开坡口处焊缝余高3～5 mm即可，t=40钢板两侧未开坡口焊缝角高24mm.

（3）侧卧焊接序号 5、8、11，件 8、11 打底内侧焊缝后，外侧清根、打磨，对称反复翻转焊接，每边焊接3道后翻转一次，不允许一边焊完后再焊另一边，外侧焊缝余高2～3mm，内侧10mm即可。

（4）每道焊缝在焊接约一小半后，进行超声波探伤检验，达到二级焊缝后才能继续焊接，如不达标需处理后才能继续。

（5）由于坡口较小，需采用 506φ4焊条打底焊。

（6）两边反复翻转对称焊接，外侧填平即可，两边在焊接高约25 mm左右时进行超声波探伤检测，焊缝要符合II级要求。

2.2 焊接难点分析

鞍体焊接主要难点如下：

（1）铸造组织材料冷裂纹敏感度较高，特别在大坡口焊缝焊接方面，鞍座结构焊后因为焊接应力容易产生冷裂纹。

（2）鞍体组焊钢板与铸件之间、钢板之间焊接操作空间较小，给焊接作业带来一定困难。

（3）肋板、鞍头和底板为封闭格字型大坡口全熔透对接，而且是厚板焊接，结构刚性很大，焊缝密集导致应力集中明显，容易造成层状撕裂等焊接缺陷。

因鞍体结构限制，某些焊缝较难实施焊接作业，为了保证焊接质量，根据多年做索鞍的经验，焊接工程师的建议及技术的要求，确保结构安全和焊缝焊接性的操作可行性。采取以下措施：

（1）焊接前，对焊缝及材料进行清理，避免因为杂质产生焊接缺陷；

（2）如图 2，在安装好 4、5、6、7、9、10、12 后，进行全面加固，然后焊接4、5、6、10板，减少焊接人员的操作难度；

（3）焊接时，相对应的焊缝同时焊接，减少应力集中；

（4）打底焊接时候，焊条尽量不摆动，因为结构不同、容易产生拉裂；

（5）对焊接区域进行预热和缓冷措施，能有效预防冷裂纹的出现；

（6）选择具有熔敷率较高、焊缝成型比较美观、低氢型焊丝CO2气体保护焊焊接，焊接工艺要求只能平焊，尽量避免或者不用仰焊和立焊，所以焊接是对工件进行多次翻转；

（7）选用与母材强度相匹配，具有较好焊接性能的H08MnSiA药芯焊丝，焊接前对焊丝严格进行了烘干处理，清除焊丝、坡口上的油污、水份、铁锈等物质。通过以上措施，在结构安全前提下，简化了焊接难度，减小了焊接时的应力集中，减轻了工人的劳动强度，更好地保证了焊接质量；

（8）预热，只是针对鞍头和肋板、底座和肋板。焊接工艺参数如下表1所列。

表1 焊接工艺参数表

3 散索鞍鞍体振动时效工艺

振动时效是使工件在激振器所施加的周期性外力作用下产生共振，松弛残余应力，获得尺寸精度稳定性。也就是在机械的作用下，使构件产生局部的塑性变形，从而使残余应力得到释放，以达到降低和调整残余应力的目的。

散索鞍鞍体振动时效工艺为：使用“全自动轧辊亚共振时效仪”进行振动时效处理，采用胶垫四点支撑，支撑位置在两端部位置，激振器放置在散索鞍体旁边一个端部边角位置，激振器偏心角取120°，在电机转速为10 035 r/min的共振峰的2/3亚共振点振动30 min，时效时候振动加速度值为80 m/s2，处理后，再将测振器移到散索鞍鞍体另外一个对面位置，在电机转速为11 274 r/min的2/3亚共振点振动30 min，时效时候振动加速度值为70 m/s2，一件散索鞍鞍体总计振动再次，时效时间约为1 h，振动时效现场及时效曲线如图4、5、6、7所示，振动时效工艺曲线符合JB/T5926-2005振动时效技术行业标准规定[1]的范畴，该振动有效。

图4 散索鞍鞍体振动时效现场一

图5 散索鞍鞍体振动时效现场二

图6 散索鞍鞍体振动时效工艺曲线（11274 r/m in）

图7 散索鞍鞍体振动时效工艺曲线（10035 r/m in）

4 残余应力测量原理和方法

采用盲孔法应力测量仪对残余应力进行测试。

盲孔法[2]测试原理：盲孔法测量残余应力是指在有残余应力的部位钻一个小孔，因小孔附近的残余应力被释放，孔区附近的残余应力场发生变化，只要测出该局部区域的应变变化量，即可计算出钻孔处释放前的残余应力值。通过对时效前后的焊缝周围租用盲孔法测量，对比两者残余应力的变化情况，就可以了解残余应力的消除情况。

盲孔测试方法如下：

（1）测量前准备：释放系数标定、附加加工应变的测定、钻孔设备的检查和调整等；

（2）应变花的处理和粘贴：待测构件表面打磨、擦洗检查应变花、用胶水粘贴应变花（两个互相垂直的应变花分别平行和垂直方向）；

（3）钻小孔、读应变：应变花贴好，固化后连接应变仪，在指定位置钻φ1.5×2.0 mm小孔，钻后10 s左右可从读取释放应变。

5 散索鞍鞍体残余应力测点布置

为全面了解散索鞍鞍体焊缝位置的残余应力分布情况，在散索鞍鞍体的全段焊缝位置，分左右均匀选取10个测试点如图1所示，分别编号为1#、2#、3#、4#、5#、6#、7#、8#、9# 各 10#，对 1#、2#、3#、4# 和5#进行振动前残余应力测试，对 6#、7#、8#、9#各10#进行振动后残余应力测试（如图8）。

图8 应力测试现场图

6 散索鞍鞍体残余应力测量结果

残余应力测试结果如表2所列。

表2 散索鞍鞍体振动时效前后残余应力测试数据与结果

残余应力中，应力释放系数参考值取为：k1=-1.329，k2=-0.379.

工件上 1#、2#、3#、4#和 5#测试处综合残余应力值分别为 436 MPa、505 MPa、449 MPa、747 MPa和348 MPa，平均应力值为 497 MPa.工件上 6#、7#、8#、9#各10#测试处综合残余应力值分别为243 MPa、110 MPa、340 MPa和196 MPa，平均应力值为222 MPa.振动时效可以将散索鞍鞍体的综合残余应力从497 MPa降到222 MPa，下降值为275 MPa，平均残余应力下降率为55%，符合振动时效国家标准的要求（大于30%）。

7 结束语

综上分析，得出以下结论：

（1）散索鞍鞍体焊接后，其焊缝处的平均应力值为497 MPa，应力分布很不均匀，存在应力变形或开裂的可能性，处于不安全的状态，是有必要进行消除残余应力的时效处理的。

（2）散索鞍鞍体振动时效处理后，平均残余应力下降率为55%，其焊缝处的平均应力值为222 MPa，应力分布已经均匀，不存在应力变形或开裂的可能性，处于安全的状态。

（3）散索鞍鞍体应用振动时效是可行的。

[1]JB/T5926-2005.振动时效行业标准[S].

[2]ASTM E837-08.盲孔法标准[S].