大型钢箱梁的焊接工艺及变形控制探析

宗秋斌

（江苏百崮钢结构工程有限公司，江苏 镇江 212143）

1 钢箱梁名的得来以及钢箱梁的制造

钢箱梁也就是我们说的钢板箱形梁，我们一般应用在跨度较长较大的桥梁上，因其外观像一个箱子而得名为钢箱梁。

钢板箱形梁是大型钢结构梁桥工程中最最常用的、稳固的结构形式。钢箱梁中的横隔板间距的大小对集中承重荷载的作用有影响，就是简支钢箱梁容易发生畸变和刚性扭转的可能，简支钢箱梁要通过建造不同数量钢箱梁的横隔板，比较钢箱梁在集中承载作用下，其易发生的畸变和刚性扭转的变化，从数据中得出结果看，极限畸变效应以及扭转变化随横隔板数量的多少的变化关系。在钢箱梁的腹板顶端上施加承重荷载，依据畸变与刚性扭转以及对称弯曲与偏心荷载等几种施工情况而采取不同的分解荷载方法进行精确计算得到稳定的数据，以此来建造工艺合格、达到质量要求的钢板箱形梁。

2 钢箱梁的焊接工艺

钢箱梁制造大概分为5个步骤：一是先制造钢板单元；二是在地胎架上进行预先总拼接，还有部分的焊接桥梁工段；三是桥梁工段的涂装工程，包括喷砂、油漆涂布等等；四是关键的钢箱梁桥接长焊接；五是最后的钢结构桥梁节段与节段之间的环缝焊接。看来焊接工艺是否完善，焊接的技术水平是否高超，焊接是决定着大型工程的钢箱梁质量的重要指标，不能忽视。

焊接工艺分为3步：预处理、下料、焊接。

2.1 预处理

其目的就是为了除锈，一般将钢板矫平，然后除锈使钢板的表面达到一定的粗糙程度以利于防锈底漆的喷涂，这样可防止除锈钢板再次生锈，但底漆防锈不能影响焊接的质量。

2.2 下料

下料分为两种，比较准确的数控切割下料，还有一种是气割下料。数控下料精准，一般用于难度较大、比较复杂的圆弧形、拱形，具体的采用纵割、横割再总割而完成；气割下料则在工字钢、角钢应用较多。在下料时应注意要有余量，一是为了焊接收缩变形留有余量，另外是为断头修切留有余量。

2.3 焊接

依据焊接的国家标准，评估焊接工艺，根据评估结果制定规范的施工工艺，施工工艺的具体评价参数有焊接用的电流、电弧电压。横向对接焊缝的有翼板和腹板，这样的情况采取双面埋弧焊且对接焊缝不在一个水平面上，应稍微错开一些，不要形成十字交叉缝，T形梁是先将顶板留出位置线，然后拼接腹板而成，焊接T形梁则是应用船型埋弧焊两层焊接，一层为快速小电流，一层为缓慢的大电流；而有些需要纵向焊接的底板，底板宽大，需要与横向焊接错开一小段距离，也不要形成十字交叉缝。

3 大型钢箱梁的焊接后期变形的主要原因

在许多经典打造的钢板箱形梁中，如西堠门大桥、杭州湾跨海大桥等都是采用的钢箱梁结构，但是在建造的过程中最容易、经常性产生的就是焊接工艺问题，钢箱梁焊接后的变形原因主要为以下几点：

3.1 焊接接头形式不同

在焊接工艺中，常采用高压锅炉接头，而焊接接头的好坏也是随着接头的形式的不同会出现不同的结果，最为普遍的有单一的对接接头焊接，不同形状的T型接头、十字型接头和角接头，也有复杂的搭接接头及拼装板接头等等。在有关钢板厚度、焊缝尺寸大小、坡口不同形式，还有焊接的根部间隙等多方面，焊接工艺会采用对拼接焊缝的角接头焊缝，另外钢板的熔透程度也是焊接工艺中的关键点。焊接接头形式对焊接工艺的这些因素影响，其实也就是焊缝的横断面积以及影响焊接后的散热速度和冷却下来的时间等各项因素的影响。

3.2 焊接的具体方法

钢板箱形梁焊接连接时经常采取人工弧焊、二氧化碳气体保护焊、埋弧自动焊等多种焊接手法，其中也有根据不同的焊接接头方法和形式筛选出的施工焊接的工艺数据等。由于以上的焊接方法不同，他们的输入热量有所差异，最终引起的不同焊接残余也会影响变形方式和变形量。

3.3 焊接工艺中焊接的适合条件

钢箱梁使用融化焊接的方法，融化时需要预热与回火的处理，使液态钢到固态钢的稳态过程，另外也涉及外界环境如温度等对钢板的膨胀（温度上升的急剧和缓慢）和钢板冷却收缩（急剧降温或是程序降温）时的影响因素。

4 对焊接变形所要采取的措施

在焊接钢箱梁时，由于钢板的固有性质极易产生变形，这会严重影响钢箱梁的施工质量。在施工时焊接变形是无法避免的，但应该控制焊接后变形在容许偏差的范围之内，否则钢箱梁的承载力达不到要求时会破坏钢板的外观结构，甚至出现质量安全事故，造成重大损失。

4.1 对厚板钢箱梁焊缝对接引起的变形的控制

在选购钢箱梁的构建时必须要有焊缝预留位置，它会影响上翼板与下翼板的横接缝，由此预留也是为了减少焊接的拉应力，使焊接不出现撕裂现象。如若在厚板上焊接，仰焊接的操作很难确保焊接的质量，可以改变措施，改用平焊的方法，只要在钢板上开凿一个小的焊孔即可。

4.2 对组焊过程中常易发生的变形的控制

由于大型的钢箱梁，在焊接过程中会遇到焊接面积大、焊接缝长最后导致焊接工作量大，有些焊接缝焊不透，在这种情况下很难能确保焊接缝的连接质量，为了减少相应的焊接量，一般以金属少的坡口焊接的方法，从而减少焊接变形也能焊透。减少焊接后变形与弯曲，会选择适当的预热方式控制变形如弯曲和扭曲，以最佳预热方式进行控制与预防变形，减小焊接应力，四条焊缝需同时加热才能使温度保持一致，但有先后顺序，后焊温度比先焊温度高一些，一般高出 50～80 ℃，而先焊预热温度为150 ℃，这样焊缝温度基本能达到一致。

4.3 优化设计方案，实施合理的焊接工艺

为了减少焊接后发生的变形，一般现场宜选用可以限制电流的最低使用值，同时也减少了输出热量，如现场采用的二氧化碳的气体保护焊，它采用了成形性好药芯焊丝，另外，对于钢箱梁的箱形钢板较厚的且焊缝多的、截面大的，焊接时应注意焊接的顺序，尽量先焊接收缩变化明显的，接下来再焊接收缩不明显的。在结构上来说，焊接变形最容易发生在钢箱梁的部件中腹板向内收缩而且变形程度很大，因为腹板是焊接中第一条重要的焊缝，接头自由，易发生变形，一般采用分阶段退焊法。

4.4 注意焊接工艺的检验，也可预防和控制焊接的变形

焊接工艺检查分为外观检查、无损检查、焊缝破坏试验。

4.4.1 外观检查

焊接工艺初步完成后，需对焊缝外观质量进行检验，根据具体焊接工艺标准查看单元件焊接，检查是否有焊接缺陷，如焊接缝隙不能完全融合或填充不足、夹渣、裂缝、咬边超标、焊瘤等缺陷应立即做出明显标识等待重新返工维修。

4.4.2 无损检查

指对焊缝内部的探伤，只有经过外观检查合格在24 h后才可进行无损检查，多采用3种探伤法，一种是超声微波探伤，一种是X射线探伤，另一种是磁粉探伤。超声微波探伤用于顶板和腹板焊缝、横隔板焊缝、腹板焊缝；X射线探伤用于底板纵向焊缝、腹板横向焊缝；磁粉探伤用于破口角焊缝。具体的焊缝检验方法应根据质量标准执行。

4.4.3 焊缝破坏试验

在焊接时如需增加焊接试板就要进行破坏性试验，这一步是在前两项检验合格后才能进行的，先是接头拉伸使侧弯，然后低温金属冲击焊缝，得到一系列的数据来考察质量的稳定性质。

4.5 制定角变和整体的变形控制方案

4.5.1 大型钢箱梁桥需要局部与整体控制，局部角变形控制

钢箱梁内部安装的隔板是为了增加钢箱梁整体的稳定性与其刚性，钢箱梁内部有4条纵对接角焊缝，如果使用双面埋弧焊会增加钢箱梁内焊接难度且加大焊接的工作量。对于钢箱梁内部的角变形焊接坡口用单深V字型钢衬垫的坡口，从外部先开始，采用二氧化碳气体保护焊作为基础打底，再与埋弧自动角焊结合填充焊缝，最后组合焊接整体工艺。

4.5.2 整体变形控制

整体变形控制是很难矫正的，它是在扭曲、畸变、挠曲分别或是共同的作用下产生的整体变形，变形严重的最终只能是报废停用，所以一定要在变形初期就进行良好的控制，其主要是通过单元构件的精密制造和完好的组装，拟定好焊接工艺方案。具体单元构建安装时，比如腹板和翼板需要拼接后矫正使其平直，若其本身就有弯曲变形，不加矫正直接安装的钢箱梁受到的组装就会超出承受范围，焊接的过程中或者是焊接结束后，一旦组装的应力释放，就会使得钢箱梁桥的整体结构发生变形。再如，腹板与翼板组装时，腹板的制造工艺不精确，焊缝接头留有的空隙太大，焊接缝也会收缩扭曲变形，要解决这种问题就要采用合适的焊接坡口型式，如用单面钢衬垫坡口，需要将钢衬垫与腹板连接组合后焊接，然后刨边以保证钢箱梁的坡口角接精度，使坡口连接一致，这样才可避免钢箱梁的整体组装后的变形或减少变形的机率。

5 总论

在焊接工艺过程中，尤其是钢板箱形梁在焊接中易变形，焊接变形的控制是一个复杂的工艺，大型钢箱梁桥工程一定要考虑其变形的影响因素，根据实际状况采用有效的、优化的方法。对于钢结构大型桥的建设施工，安全质量尤为重要，焊接工艺要完善，焊接大型钢箱梁的质量问题直接关系到大桥的持久性和耐用性，在施工开始和结束的全过程应认真对待焊接变形问题，加强焊接变形控制的措施，采用严格的焊接工艺审核合格的方案，这样才可以达到技术和使用的要求。

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