楊忠望，葉君龍，舒先慶，黃新明

(武船重型工程有限公司，湖北 武漢 430415)

0 引言

近年來，隨著國民經濟的飛速發(fā)展，大量基礎設施不斷建設，鋼結構橋梁制造成為熱點行業(yè)。鋼結構橋梁在制造安裝過程中，由于焊接變形引起的各種質量問題日益突出。矯正焊接變形所采用的火工矯正技術也越來越受到重視。

在鋼橋生產制造時，鋼箱梁一般分成若干梁段，每個梁段劃分成若干板單元，每個板單元都是帶若干個U肋或扁鋼的結構件。據統(tǒng)計，頂與底板單元的重量約占鋼箱梁總重的70%，因此，頂與底板單元件的焊接生產是整個鋼箱梁生產制造的重要組成部分。

板單元制造過程中產生的焊接變形難以避免，而板單元的制造精度直接影響鋼箱梁的整體制造精度。除在裝焊前采取各種措施對焊接變形進行控制外，一般多采用火工矯正的方法對已經裝焊完成的板單元進行焊接變形矯正，使制造精度達到標準要求。

1 板單元焊接變形的種類

板單元在制造過程中一般均放置在反變形胎架上進行焊接，焊接前預設反變形量，并在單元件縱向方向采用夾具進行外力約束，以減小焊接角變形。

實際制造時，若預設的反變形量過大時，板單元會產生背向U肋結構面的角變形，如圖1所示;若預設的反變形量過小時，板單元會產生面向U肋結構面的角變形，如圖2所示。

同時，若預設的反變形量正確，由于板單元縱向角焊縫產生焊縫縱向收縮，會產生背向U肋結構面的縱向收縮變形，如圖3所示。此種焊接變形的特點是:單元件面和底板橫向基本不產生角變形，縱向產生背向U肋結構面彎曲變形。

板單元焊接過程中，若焊接順序不一致，焊接工藝不規(guī)范，或面、底板焊接胎架平面度未能達到要求，夾具外力大小不一致，均會導致角焊縫縱、橫向收縮變形不一致，從而產生板單元波浪變形，如圖4所示。

另外，若單元件某一角處夾具外力約束較小，或焊接順序不一致，則會導致板單元產生單角上翹或對角上翹的扭曲變形，分別如圖5和圖6所示。

應當提出的是，上述各類變形中，圖1～圖3變形情況較為單一，火工矯正技術相對較為簡單。而圖4～圖6變形均為多種簡單變形的疊加，變形情況較為復雜，火工矯正技術難度較大。

2 板單元件火工矯正技術基礎

實際生產過程中，焊接變形往往不是單獨出現的，而是多種基本變形同時出現，互相影響，疊加在一起，表現出復雜的變形形式。故此，在火工矯正時，需要根據焊接時板單元的受力狀況，結合裝配質量、焊接順序等工藝參數予以分析，剖析出造成此種變形形式的原因，制定有針對性的矯正方案，不可盲目進行矯正，造成新的變形。

焊接變形是由于焊接過程中的不均勻溫度場的變化所產生的應力在結構的部分區(qū)域形成應力集中，超出材料的屈服強度，從而使得結構產生塑性變形?；鸸こC正即是針對應力集中處進行加熱矯正，產生反方向的變形，從而使結構恢復原有的幾何形狀。在單元件表現為波浪變形、扭曲變形等復雜變形時，觀察應力集中所形成的凸顯變形位置的技巧尤為重要。

2.1 確定結構局部凸顯變形位置的方法

1)將板單元結構側朝上，板邊縱向結構放置在矯正平臺胎架模板上。

2)以板單元橫截面板邊波浪變形凹陷位置作為主要參考依據，仔細觀察縱向結構及板邊波浪變形凸顯位置，對比變形量的大小及位置，初步確認凸顯變形方位。

3)在初步確認的變形處，分別觀察角焊縫及其附近鋼板、U肋轉角處及U肋上表面鋼板。當觀察到局部凸起時，用腳踩、手摸，當感覺碰到尖狀物時，即可進一步確定位置。在此處進行敲擊，若聲音為實音，則此處為應力凸顯位置。其中，角焊縫邊緣鋼板的凸顯變形最為明顯。

需要注意的是，當觀察到相鄰2個結構處的鋼板均有凸顯變形時，要比較凸顯變形量的大小。變形量較大的，即為需要火工矯正的部位;變形量較小的，不能進行火工矯正，因為該變形是由變形量較大的凸顯變形造成的。

2.2 板單元火工矯正參數

火工矯正工藝參數為:加熱順序、加熱位置、加熱溫度、加熱區(qū)形狀。不同的變形形式對應不同的矯正參數，在矯正過程中必須嚴格執(zhí)行。

2.2.1 加熱順序

加熱順序是矯正成敗的首要因素。火工矯正時應先矯正橫向角變形，后矯正縱向結構彎曲變形。該順序在復雜焊接變形的矯正過程中體現得尤為明顯。橫向角變形及縱向彎曲變形的加熱順序、方向等又各不相同。

1)矯正橫向角變形加熱順序

將板單元件結構面朝下，放置在胎架平臺上，保證板單元件結構受到胎架均勻支撐。首先矯正縱向兩側板邊角變形達到精度要求，以此為矯正平面度依據，左右對稱依次向中間矯正其余角變形，最終達到平面度要求，如圖7所示。

圖7 橫向角變形矯正加熱順序圖Fig.7 Diagram of the heating order of transverse angular distortion straightening

矯正角變形注意事項如下:

①因為加熱線段在終端的橫向收縮比始端大，故矯正時應保持加熱方向相同，以避免單元件扭曲變形;

②當U肋結構距縱向板邊距離≥300 mm時，板邊抵抗矯正后冷卻收縮的能力逐漸降低，容易引起縱向板邊波浪變形。故矯正時應在縱向板邊設置與角焊縫長度相等的型材予以支撐，如圖8所示。

2)矯正縱向彎曲變形加熱順序

當矯正橫向角變形工作結束后，板單元會產生背向U肋結構面的縱向彎曲變形。

圖8 型材支撐示意圖Fig.8 Diagram of section steel strut

將板單元件結構面朝上，放置在胎架平臺上。加熱方式采用垂直于U肋的平行加熱線，自單元件兩端依次對稱加熱，逐步向中間移動，確保加熱方向一致，如圖9所示。

圖9 縱向彎曲變形矯正加熱順序示意圖Fig.9 Diagram of the heating order of longitudinal bending deformation straightening

矯正縱向彎曲變形注意事項如下:

①因為板單元件正向放置在胎架平臺上，其自重對于矯正收縮量影響較大，故矯正前應保證橫向板邊及單元件縱向結構均被胎架平臺均勻支撐，防止矯正過程中收縮不平衡;

②當板單元件同時含有U肋及板狀加勁時，應先矯正U肋彎曲變形，待其直線度達到精度要求后，才能矯正加勁板彎曲變形。

2.2.2 加熱位置

火工矯正加熱位置的確定應當充分考慮焊接過程中焊接收縮應力的作用位置，采取與之相對應的方法加熱，反方向收縮，使得火焰矯正收縮變形與焊接收縮變形相互平衡，達到還原工件焊接前幾何形狀的目的。

1)矯正橫向角變形加熱位置

橫向角變形矯正采用線狀加熱法。當變形形式如圖1所示時，加熱位置在板單元角焊縫熱影響區(qū)鋼板處，加熱線段與角焊縫長度相等，如圖10所示;當變形形式如圖2所示時，加熱位置在板單元角焊縫熱影響區(qū)背部鋼板處，加熱線段與角焊縫長度相等，如圖11所示。禁止在單元件U肋或加勁板結構的2條角焊縫之間加熱矯正橫向角變形，這樣會導致新的板邊波浪變形。

2)矯正縱向彎曲變形加熱位置

矯正縱向彎曲變形前，須仔細觀察板邊變形特征，首先確保橫向角變形平面度達到要求，再進行縱向彎曲矯正。

當板單元為U肋結構時，采用線狀加熱法，從角焊縫熱影響區(qū)處動火，至另一側角焊縫處停火，并在U肋轉角處稍作停留，形成一定的溫度梯度。測量板單元件距離胎架平臺模板的彎曲變形量，并根據每條加熱線段的矯正收縮量，謹慎估算加熱線段數量，在與U肋垂直方向進行加熱，如圖12所示，圖中直線段為加熱線。第一次矯正結束后，等待15～20 min，待收縮變形穩(wěn)定后，再次測量彎曲變形量，以第一次矯正的收縮總量為依據，計算每條加熱線段的平均變形量，并以此來確定需要補充加熱的線段數量。

圖12 U肋單元件縱向彎曲變形矯正加熱位置示意圖Fig.12 Diagram of heating position of U rib plate unit pieces longitudinal bending deformation straightening

當板單元為加勁板結構時，采用三角形加熱法，從角焊縫熱影響區(qū)處動火，沿腹板高度方向進行三角形加熱，至腹板上部邊緣，并對腹板厚度位置進行充分加熱。如圖13所示，圖中三角形區(qū)域為加熱區(qū)域。傳統(tǒng)三角形加熱法，三角形加熱區(qū)域只在腹板上部2/3的區(qū)域，底部1/3的區(qū)域沒有進行加熱，使得腹板底部未受熱收縮，抑制了腹板上半部分的收縮效果，故矯正效果不佳，效率較低。而從腹板底部的熱影響區(qū)處動火，可使腹板底部受熱產生收縮。經過實踐對比，改進后的三角形加熱法矯正效果是傳統(tǒng)方法的數倍。

圖13 加勁板單元件縱向彎曲變形矯正加熱位置示意圖Fig.13 Diagram of heating position of stiffening plate unit pieces longitudinal bending deformation straightening

2.2.3 加熱溫度

矯正收縮變形量是由加熱溫度和加熱區(qū)形狀所決定的。在加熱順序、加熱位置均正確的情況下，保證加熱溫度均勻，加熱區(qū)形狀正確，是保障矯正變形成功的重要因素。鋼箱梁中δ≥10 mm的板單元件均采用中性焰進行加熱矯正。中性焰的最高溫度在距焰心2～4 mm處約為3 050～3 150℃，且火焰距鋼板表面距離遠近所引起的溫度變化較大。為準確滿足火工矯正所需的600～800℃的加熱溫度，避免出現誤差，需使用4#～5#烘嘴，并將氧氣、乙炔(丙烷)混合氣體的流量調至最大，焰心白亮點始終緊貼鋼板表面，來保證加熱溫度的均勻、正確。為防止加熱溫度過高損傷板材表面，禁止加熱溫度超過900℃，加熱區(qū)發(fā)黃、發(fā)白，并禁止將中性焰焰心白亮點調藍、變細(短)，此時，火焰將變成氧化焰。

加熱時，應采用點溫計來精確控制矯正加熱溫度。在對矯正對象、工況很熟悉，且矯正經驗較為豐富時，可以適當借鑒經驗，以加熱處的鋼板顏色來大致判斷加熱溫度，常用的矯正加熱溫度與鋼板顏色的對應關系為600℃(微暗紅)、700℃(暗紅)、800℃(紅色)、850℃(淡紅)。但由于存在晝夜視覺誤差，利用鋼板顏色來判斷加熱溫度誤差較大。

為避免鋼板局部過燒，火焰在1個點上停留時間不能過長，停留時間依據矯正不同板厚所需的加熱溫度而定，采用點溫計控制加熱溫度，禁止超過900℃。

另外，還可利用火焰移動速度來間接判斷和控制加熱溫度。為保證加熱線段不同位置溫度均勻，加熱火焰移動過程中不得左右擺動。

1)矯正橫向角變形加熱溫度

加熱矯正過程中，初始加熱溫度應由低到高，通過矯正溫度對應的收縮變形量的經驗數據來進行控制。初次加熱溫度一般約600℃，在長度1 000 mm的范圍內進行試驗。初次加熱冷卻后，若收縮變形未能達到要求，則可在相同位置重復第2次加熱。但需要注意第2次加熱較第1次加熱收縮量大，須調整好加熱速度。同一位置加熱次數不得超過3次。

初次角變形矯正的加熱溫度應均勻，若局部角變形矯正未達到精度要求，不可盲目增加加熱次數，應根據具體情況綜合判斷。同時，加熱溫度應以第1道加熱溫度為基準，依次降低，逐道向板單元中部矯正。

2)矯正縱向彎曲變形加熱溫度

當板單元為U肋結構時，因U肋鋼板較薄，加熱溫度不可過高，加熱火焰不得擺動，防止矯正收縮量過大及加熱區(qū)產生褶皺變形。根據實測數據，在如表1的參數下，縱向彎曲變形矯正效果較好。

表1 U肋板單元縱向彎曲變形矯正加熱速度Tab.1 Heating rate of U rib plate unit pieces longitudinal bending deformation straightening

當板單元為加勁板結構時，因通常加勁板厚度δ≥10 mm，采用三角形加熱法矯正，加熱溫度800～900℃。采用表2中不同大小的三角形加熱區(qū)，來矯正不同板厚的加勁板結構縱向彎曲變形。同時，需注意初始加熱溫度及三角形理論尺寸，防止矯正收縮變形量過大。

表2 不同板厚加勁板板單元縱向彎曲變形矯正三角形加熱尺寸Tab.2 Triangle heating size of different thickness stiffening plate unit pieceslongitudinal bending deformation straightening

2.2.4 加熱區(qū)形狀

采用線狀加熱法來矯正板單元橫向角變形、U肋結構板單元縱向彎曲變形;采用三角形加熱法來矯正加勁板結構板單元縱向彎曲變形;采用鐮刀法，即將2個三角形加熱區(qū)域底邊連接，形成如鐮刀狀，來矯正板單元端頭U肋扭曲變形。

3 板單元件典型變形火工矯正方法

3.1 橫向角變形及縱向彎曲變形火工矯正方法

板單元橫向角變形及縱向彎曲變形的加熱順序、加熱位置、加熱溫度、加熱區(qū)形狀在前文中均進行了詳盡的闡述，運用前文中所介紹的方法即可進行矯正。

3.2 板單元橫向板邊彎曲變形火工矯正方法

當板單元橫向角變形矯正精度達到要求后，理論上板單元橫向板邊也應平直。若單元件橫向板邊產生如圖14～圖16所示的3種常見橫向板邊彎曲變形，一般是由于U肋端頭的扭曲變形造成的。此時需要用鐮刀法，而不能使用線段加熱法進行火工矯正。

鐮刀法矯正U肋端頭扭曲變形的原理是，用2個相等的三角形加熱區(qū)域將U肋腹板及U肋上表面連成一個整體，如圖17所示。利用U肋轉角處加熱溫度較高，變形收縮量最大的特征，將U肋端口較低位置收縮提高，與較高位置保持一致，從而對扭曲的U肋進行矯正。三角形加熱區(qū)域加熱溫度約800℃。U肋轉角處需進行2次重復加熱從而加大轉角處的變形收縮量。

鐮刀法具體加熱方式如下:在距 U肋端部約1 000 mm范圍內的縱向板邊觀察板邊和U肋轉角凸起處，從凸起處對應的U肋角焊縫熱影響區(qū)處動火，沿U肋腹板向U肋端頭方向進行傾斜約45°的三角形加熱，至U肋轉角處，轉角處三角形底邊寬度約50 mm，加熱區(qū)域起點與終點垂直距離約280 mm。從U肋轉角處動火，沿U肋上表面向U肋端頭方向傾斜約45°進行第2個三角形加熱，至U肋另一側轉角處，如圖17所示。整體加熱區(qū)域形成如鐮刀狀，達到矯正U肋端頭扭曲變形的目的。值得指出的是，圖14和圖15變形形式動火處與板單元U肋端頭的距離約500 mm，圖16變形形式動火處與板單元U肋端頭的距離約1 000 mm。

3.3 波浪變形火工矯正方法

板單元件波浪變形通常是由U肋端頭扭曲變形和U肋縱向波浪彎曲相互疊加而引起。此類變形是板單元件火工矯正中難度最高的。矯正前需要準確辨析變形原因，從而選擇正確的矯正方法和參數。

波浪變形矯正順序為:矯正角變形鋼板平面度→鐮刀法矯正橫向板邊彎曲變形→矯正縱向板邊波浪變形→矯正殘余角變形→矯正結構彎曲變形直線度。

1)首先矯正橫向角變形。辨認出橫向波浪變形中背U肋結構面的角變形，首先矯正此類變形，達到精度要求后，矯正面向U肋結構面的角變形。綜合運用線狀加熱法及鐮刀法，使得板單元橫向平面度達到要求。

2)觀察板單元縱向板邊上夾具印痕較深的位置，此處鋼板板邊產生凹陷，對此處變形進行矯正，消除夾具外力所引起的波浪變形。若夾具外力所引起的波浪變形矯正完成后，板單元縱向仍然存在波浪變形，則說明引起波浪變形的原因中還存在焊接應力的因素。

3)仔細觀察焊接應力凸顯位置，對板單元波浪變形焊接應力凸顯位置進行第一次加熱矯正，可消除大部分波浪變形。以后每次矯正，都須仔細觀察縱、橫方向板邊變形情況來確認下一步U肋的加熱位置和加熱數量。采取先矯正波浪變形，后矯正彎曲變形的原則，逐步達到矯正目的。

3.4 扭曲變形火工矯正方法

當單元件上U肋角焊縫焊接順序及焊接方向不同時，由于焊縫橫向收縮終端比始端大，易使單元件形成背向U肋結構面的單角上翹或對角上翹，產生扭曲變形，如圖5和圖6所示。

扭曲變形的具體加熱矯正順序為:矯正角變形鋼板平面度→施加外力將上翹角與矯正平臺夾貼→矯正扭曲變形→矯正殘余角變形→矯正橫向板邊波浪變形→矯正彎曲變形直線度。

扭曲變形大都為各類變形的疊加，矯正工藝較為復雜，按照矯正位置的不同，分為2類予以闡述。

1)加熱位置在鋼板背向板單元結構側

加熱位置:仔細觀察單元件下撓處縱向板邊兩側距端頭約500 mm處及單元件中心線附近較小的凹陷波浪，連成一線，即為加熱線。或采用鋼直尺在此范圍內測量出鋼板背向板單元結構側凸起折角線段。如圖18所示。

加熱溫度在800℃左右，注意控制溫度，鋼板不得發(fā)黃，發(fā)白。

加熱方式采用鏈式加熱法，如圖19所示。面板單元件板厚δ=14 mm，加熱寬度為50 mm。底板單元件板厚δ=10 mm，加熱寬度為30 mm。

加熱方向:始端在單元件下撓處，終端在單元件中心線附近，如圖18所示。

2)加熱位置在U肋上

加熱位置:與在鋼板背向板單元結構側加熱矯正不同，當加熱位置在U肋上時，選取單元件上撓處與單元件中心線的連線作為加熱線，如圖20所示。

加熱溫度:由于在U肋上的加熱線段較長，在加熱矯正單元件扭曲變形的同時，還能矯正U肋縱向彎曲變形。故加熱溫度應比矯正單元件縱向彎曲變形低，防止彎曲變形的矯枉過正。

加熱方向:始端在單元件上撓處，終端在單元件中心線附近，如圖20所示。

需注意的是，此種矯正方法屬于強行扭曲U肋變形以達到矯正板單元件扭曲變形的目的，并沒有真正消除結構中的焊接應力，不宜經常使用。

4 結語

板單元件的鋼板越薄，火工矯正技術難度越高，矯正工藝越復雜。本文僅適用于鋼箱梁橋梁中δ≥10 mm的鋼箱梁正交異性板單元件。板單元件火工矯正禁止在板邊緣固定狀態(tài)下進行，這樣會使得變形失去規(guī)律，因此本文不適用于矯正橫隔板單元件板格凸凹變形。

鋼箱梁板單元變形形式多樣，不同的變形形式適用不同的矯正方法，不可盲目混淆使用，否則無法達到預期的矯正效果。不同的矯正方法有不同的工藝參數、矯正順序和注意事項，是矯正工作的技術基礎。根據不同的矯正方法，有針對性地使用正確的矯正工藝，方可使矯正質量得到保證。

火工矯正是一項技術含量高、質量要求高的工作，從事矯正工作的人員需要在矯正方法、工藝、質量意識、工作態(tài)度等方面均有較高的水準。同時火工矯正經驗的多少對能否做好火工矯正也很關鍵，因此火工矯正人員應相對固定，作業(yè)人員也需多實踐，勤總結，不斷積累經驗，只有實踐與理論充分結合，才能做好火工矯正工作。