某核电乏燃料厂房吊车梁预制焊接变形控制研究

张乐　朱家盛

摘 要：本文采用固有应变原理对某核电乏燃料厂房吊车梁预制焊接变形进行分析预测，并根据预测结果有针对性的进行了焊接变形控制，进而总结出一套系统的吊车梁焊接变形控制措施，为类似结构的吊车梁焊接变形控制提供了参考及借鉴。

关键词：吊车梁;变形;预测;控制

某核电站乏燃料厂房（KX）50KN吊车主要作为乏燃料的运输工具，其吊车梁作为吊车行驶的路基，承受着吊车行驶中产生的动载荷，具有安装平整度要求高，抗疲劳能力强的特点，对于吊车的正常运行起着至关重要的作用。50KN吊车梁设计为H型结构，并采用加劲板、加强板、端板等对结构进行加强，结构形式复杂，预制过程中极易产生较大的焊接变形，对后续的安装工作产生不利的影响，因此，在吊车梁预制过程中的焊接变形控制极为重要。

1 吊車梁焊接变形分析

KX 50KN吊车梁结构由15mm，25mm和32mm厚的Q235C焊接而成，焊接接头形式包括T型和角接，整个吊车梁尺寸庞大，焊缝交错，焊接变形复杂。因为吊车梁结构大，焊缝多，接头厚度大，如果采用热弹塑性有限元法其计算时间冗长且不容易收敛，很可能得不到计算结果。采用固有应变方法可以非常高效预测该结构的焊接变形。整个计算思路如下：

（1）从吊车梁结构中拆分出典型的焊接接头;

（2）分别对典型接头进行弹塑性计算，分析固有应变和固有变形。因为接头尺寸较小，因而可以采用热弹塑性方法考虑整个焊接热过程，获得小型接头的变形，从而获得接头的固有应变和固有变形;

（3）建立吊车梁结构的壳单元模型，结合核电大型结构焊接变形预测分析系统给各条焊缝加载热弹塑性方法计算得到的固有变形，进行弹性计算，获得整个结构的变形。

1.1 吊车梁梁典型接头拆分

从吊车梁结构中拆分出典型的焊接接头，如下图所示，共有5个典型接头。

吊车梁典型接头拆分图

1.2 典型接头固有变形分析

采用热弹塑性模型对各接头进行变形分析，计算的各接头固有变形见下表。

1.3 吊车梁焊接变形计算

在Solidworks软件中以实际结构尺寸建立吊车梁的实体模型，然后在Hypermesh软件中建立壳单元有限元模型，导入到核电大型结构焊接变形预测分析系统（Weld-FAS）中添加焊缝及各焊缝的固有变形值，设置自由态拘束条件，最后进行弹性计算获得吊车梁的焊接变形。采用焊接变形预测分析系统计算的吊车梁三个方向焊接变形。

由于焊缝的收缩造成吊车梁x方向缩短，最大相对变形量达56mm;吊车梁两端侧板顶端由于没有约束，其y向变形最大，最大变形量达到7mm，最大相对变形量达到14mm;支撑板角焊缝局部位置的z向变形最大，达到约7mm。

选取吊车梁上下面中间位置线，画出沿该两条线的各方向变形，吊车梁上下面的x方向变形几乎一致，两端向内收缩，但下表面的x收缩量大于上表面，即整个梁呈现拱形变形;上表面y向变形峰值达到-0.8mm，下表面的y方向变形峰值为126mm，出现在侧板位置，表明该吊车梁有扭转变形的趋势;上表面的z方向变形基本上为负值，峰值变形量为-4.9mm，下表面z方向变形也为负值，峰值变形达到约-1.6mm，且z向变形为波浪形，在加强筋位置变形大，表明该吊车梁焊接完后上下表面加强筋板区域出现凹陷变形。

2 吊车梁焊接变形控制

根据吊车梁焊接变形分析结果，主要采用了预留收缩余量、刚性固定、反变形、采用合理的焊接顺序进行焊接变形控制，具体措施如下：

2.1 预留收缩余量

根据焊接变形分析结果，吊车梁在长度方向的收缩量达56mm，因此，在工字梁制作下料阶段，即对腹板、翼缘预留60mm的收缩量。

2.2 刚性固定+反变形

刚性固定及反变形主要应用于工字梁焊接阶段，采用背靠背刚性固定及反变形的方法控制焊接变形，固定用小钢板尺寸通常为厚度6mm，宽度2倍翼缘板厚度减8mm，长度约50mm，钢板间距为300-500mm，长度方向和翼缘板点焊焊角约为4mm。同时，在端头板焊接过程中也采用焊接大厚度靠板（约80mm厚）刚性固定的方法对端头板进行变形控制。

2.3 采用合理的焊接顺序

（1）工字梁主焊缝焊接。因全焊透焊缝需进行清根焊接，一般采用不等边坡口，焊接时先焊接大坡口侧，由两名焊工从中间向两边分段退焊，退焊长度为500-600mm，焊接2-3层后进行清根，清根后由两名焊工分布在吊车梁两侧采用分段退焊的方法进行对称焊接。焊接大坡口侧时需注意不可一次将其填满，在清根完成后，两侧同时进行盖面。

（2）加劲板与工字梁主焊缝焊接。先焊接加劲板与腹板焊缝，然后再焊接加劲板与加强板焊缝，再焊接加劲板与上翼缘板焊缝，最后焊接加劲板与下翼缘板焊缝。

焊接时由两名焊工从中间向两边左右对称跳焊，所有焊缝应先统一进行打底，然后再统一进行填充、盖面。焊接焊缝加劲板与加强板、翼缘板时，可将吊车梁进行垫高，利用其自身重力，抵消加劲板与上翼缘板焊缝焊接时的收缩变形。

3 结语

针对复杂结构的焊接变形控制，可先对其进行焊接变形预测分析，根据预测分析结果，再有针对性的进行焊接变形控制措施的制定，可起到较好的焊接变形控制效果。

作者简介：张乐，男，焊接工程师，主要从事核电焊接工艺及焊接材料等研究。