大平面箱形薄壁件焊接变形控制

钟 文

(中国铁建重工集团股份有限公司，湖南 长沙 410100)

大平面箱形薄壁件是一种用于隧道内门体的常用钢结构形式，具有面积大、厚度小、平面度要求高、焊接变形控制难、吊装不便、施工空间小、无法翻边、安装难度大等特点。上下两外表面局部平面度要求5 mm/2 m，整体为0.7 mm/1 000 mm。传统的施工工艺为将所有物料运至隧道内门体安装位置后，现场拼装再焊接，具有施工周期长、生产效率低及质量难以保证等特点[1]。

中国铁建重工集团股份有限公司承接的隧道内门体尺寸(长×宽×厚)为21.38 m×9.2 m×0.56 m，为典型的大平面箱形薄壁件，整体结构如图1所示，采用厂内分块加工并预装、工地装配后再焊接的工艺组织生产，在工地整体拼装焊接过程中，平面度(焊接变形)的控制是难点，也是重点。为控制焊接变形，根据门体各部分的焊接特点，有针对性地采用钢性固定、合理的焊接顺序等方法，可以有效控制焊接变形量，以达到设计要求[2]。

1 门体的整体结构及分块形式

1.1 整体结构及要求

门体整体为箱形结构(见图2)，总体质量为83.3 t，由底板、面板和纵横隔板及门轴组成(见表1)。底板对接焊缝质量达到标准GB/T 50661—2011中二级要求。

图1 大平面箱形薄壁件整体结构

图2 门体整体结构

表1 门体材料材质清单

1.2 分块形式

综合考虑发运、质量及隧道的尺寸等，按长方向进行分块，每块的长度均为3.05 m(即单块尺寸为3.05 m×9.2 m×1.08 m)，边分块质量为12 t，中间分块质量为11 t。分块与分块间连接的面板及隔板工地现场焊接，分块结构如图3所示。

图3 分块结构

1.3 分块厂内预装

厂内按分块图完成生产后，应进行整体拼装，拼装时按照客户要求进行平面度及外形尺寸检验，均检验合格后，焊接预连接组件(见图4)，以保证在工地上可以快速准确地安装。

图4 预连接组件

2 工地施工过程

门体在工地的施工具体流程如图5所示。物料到达工地后，先进行现场胎架的制作，再进行分块吊装，利用厂内焊接的预连接组件进行快速安装复位，再进行隔板焊接，最后再将分块间的盖板焊接，整体焊接完成。

图5 施工过程图

3 各部分焊接变形控制

3.1 底板焊接变形控制

3.1.1 坡口的设计

由于隧道空间有限，无法翻边进行反面清根焊接，综合考虑后采用背面贴陶瓷衬垫，单面焊双面成形的焊接工艺，设计的焊接坡口及接头尺寸如图6所示。

图6 底板坡口设计

3.1.2 整体工装胎架布置

为保证底板的平面度，安装摆放底板的基准应相对水平，采取的方案是用胎架整体垫平，接触支承点可调整，整体平面调整后，支承点的上表面平面度误差为2 mm。

胎架底座部分采用槽钢工地现场焊接，可调支承采用螺纹千斤顶的调整形式(见图7)，以保证胎架上表面的平面度满足要求。

3.1.3 焊接参数选择

根据板材的材质，底板为Q690D，厚度为40 mm。按DIN32524要求，预热温度的测量点应在工件表面上距坡口边缘30 mm、并且是在电弧进行方向的前方50～200 mm处。应避免电弧对测温数据的影响，层间温度可直接在前道焊缝上测量。后热采用缓冷的工艺措施，第1步在250～300 ℃持续保温不低于6 h，第2步用石棉包敷4～8 h自然冷却到室温，冬季气温相对较低，可延长包敷时间，防止焊缝出现裂纹[3]。焊接参数见表2。

图7 支承胎架

表2 底板焊接参数表

3.1.4 刚性固定[4]

由于门体台面尺寸大，在焊接应力及各部分内应力影响下，焊后的变形会呈现多样化，规律难以把握，且台面尺寸大，火焰矫形难度巨大，隧道内无法采用机械矫形，而底板对接主要造成的是角变形，因此采用刚性固定来控制底板的对接焊接变形，具体为通过焊接马板来控制变形，马板沿焊缝方向每隔0.8 m设置一块(见图8)，尺寸为800 mm×200 mm×20 mm。

图8 马板整体布置

刚性固定控制变形易在焊缝内部产生裂纹，根据门体的使用工况，对门体使用影响不大。

3.1.5 焊接过程及具体要求

严格控制铆装间隙(5 mm≤铆装间隙≤10 mm)(见图9)，减小焊接收缩变形。若铆装间隙>10 mm，要用堆焊的方法减小间隙(见图10)。

图9 铆装间隙

图10 铆装间隙修整

焊接要求：采用多层多道、对称施焊，减小焊接变形，拼接焊缝分道焊接如图11所示。

图11 焊道图

每条焊缝4人焊接，从两边的短焊缝(对称)开始焊接。每条焊缝底部6道应从中间向两端分段跳焊(每段≤300 mm)，后续同一焊缝每道4人分区域对称施焊即可。焊接过程中除第一道和盖面层外，后续每道焊接过程，应边焊边采用风铲进行敲击，消除焊接应力。

每条焊缝焊接过程应连续作业，如遇特殊情况中止，应采用石棉布进行保温，重新焊接应重新按要求预热，适时测量并严格保证层间温度，保证焊接变形的一致性[5]。

3.1.6 工艺试验

为了验证现场焊接施工工艺可行性，根据现场焊接工况，设计并焊接了试板，试板材质及焊度与工地一致，单块尺寸为800 mm×3 000 mm，拼焊后焊接试件尺寸为1 600 mm×3 000 mm，焊接工艺与焊接马板安装均与现场焊接工艺一致。焊后UT探伤符合标准GB 50661—2011中二级要求，板面整体平面度≤3 mm，符合要求。根据试验验证了整体工艺可行。试验如图12所示。

图12 试验图片

3.2 面板焊接变形控制

3.2.1 坡口的设计

原则：尽量减少焊缝金属的熔敷量，提高生产率。应保证熔透(焊透)并避免产生根部裂纹。坡口加工方便，有利于焊接操作。尽量减少工件的焊后变形。

综上所述，面板的坡口及焊接形式如图13所示。不需要进入腔体内焊接，大大降低了焊接难度，同时可以采用自动或半自动焊接。

图13 坡口及焊接形式

3.2.2 焊接参数的选择

组装时，面板与隔板的周向间隙应尽量均匀，铆装调平单块平面度与基准平面度相差≤2 mm方可开始焊接。

所有的花纹钢板按区域组装焊接，从中间往两端组装，组装一个区域焊接一个区域，不能同时将所有区域组装完焊接。

焊接除盖面层外均采用分段跳焊，每一段不超过300 mm，焊接电流为220～260 A[6]。

3.2.3 提高箱体的钢度

由于腔体内部横向刚度较低，且面板的这种焊接形式将会导致隔板与花纹安装后间隙不均匀、整个表面焊接量大，直接焊接有将门体两头拉翘起的风险，应采用提高腔体内部刚度的形式来避免上述问题的产生。具体如下：按要求增加180°钢支承(见图14)，紧靠隔板进行焊接，上下方向应尽量靠上但不能影响花纹板焊接。角钢方向如图14所示，开口朝门对处，便于浇注。

图14 刚性支承

4 大平面箱形薄壁件变形控制效果

根据目前工地施工已焊接完成40个门体的实际情况，通过厂内分块加工，并在工地上严格按照上述焊接工艺的实施，能够严格控制大平面箱形薄壁件上下两外表面局部平面度要求5 mm/2 m，整体为0.7 mm/1 000 mm。目前实测最大误差为4 mm/2 m，整体平面度为10 mm，均在要求范围内。

5 结语

通过上述研究可以得出如下结论。

1)通过厂内分块加工、工地现场整体安装焊接，来实现大平面箱形薄壁件的整体生产，可以提高产品质量和效率。

2)通过对大平面箱形薄壁件整体结构的分析，根据门体各部分的焊接特点，有针对性地采用钢性固定、合理的焊接顺序及参数等方法，可以有效控制焊接变形量，提升整体的质量[7]。