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(jīng)濟的飛速發(fā)展，大量基礎(chǔ)設(shè)施不斷建設(shè)，鋼結(jié)構(gòu)橋梁制造成為熱點行業(yè)。鋼結(jié)構(gòu)橋梁在制造安裝過程中，由于焊接變形引起的各種質(zhì)量問題日益突出。矯正焊接變形所采用的火工矯正技術(shù)也越來越受到重視。

在鋼橋生產(chǎn)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(jié)構(gòu)件。據(jù)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(chǎn)是整個鋼箱梁生產(chǎn)制造的重要組成部分。

板單元制造過程中產(chǎn)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(jīng)裝焊完成的板單元進行焊接變形矯正，使制造精度達到標(biāo)準(zhǔn)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(yù)設(shè)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(yù)設(shè)的反變形量過大時，板單元會產(chǎn)生背向U肋結(jié)構(gòu)面的角變形，如圖1所示;若預(yù)設(shè)的反變形量過小時，板單元會產(chǎn)生面向U肋結(jié)構(gòu)面的角變形，如圖2所示。

同時，若預(yù)設(shè)的反變形量正確，由于板單元縱向角焊縫產(chǎn)生焊縫縱向收縮，會產(chǎn)生背向U肋結(jié)構(gòu)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(chǎn)生角變形，縱向產(chǎn)生背向U肋結(jié)構(gòu)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(dǎo)致角焊縫縱、橫向收縮變形不一致，從而產(chǎn)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(dǎo)致板單元產(chǎn)生單角上翹或?qū)巧下N的扭曲變形，分別如圖5和圖6所示。

應(yīng)當(dāng)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(shù)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(fù)雜，火工矯正技術(shù)難度較大。

2 板單元件火工矯正技術(shù)基礎(chǔ)

實際生產(chǎn)過程中，焊接變形往往不是單獨出現(xiàn)的，而是多種基本變形同時出現(xiàn)，互相影響，疊加在一起，表現(xiàn)出復(fù)雜的變形形式。故此，在火工矯正時，需要根據(jù)焊接時板單元的受力狀況，結(jié)合裝配質(zhì)量、焊接順序等工藝參數(shù)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(chǎn)生的應(yīng)力在結(jié)構(gòu)的部分區(qū)域形成應(yīng)力集中，超出材料的屈服強度，從而使得結(jié)構(gòu)產(chǎn)生塑性變形?；鸸こC正即是針對應(yīng)力集中處進行加熱矯正，產(chǎn)生反方向的變形，從而使結(jié)構(gòu)恢復(fù)原有的幾何形狀。在單元件表現(xiàn)為波浪變形、扭曲變形等復(fù)雜變形時，觀察應(yīng)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(jié)構(gòu)局部凸顯變形位置的方法

1)將板單元結(jié)構(gòu)側(cè)朝上，板邊縱向結(jié)構(gòu)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(jù)，仔細觀察縱向結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)角處及U肋上表面鋼板。當(dāng)觀察到局部凸起時，用腳踩、手摸，當(dāng)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(yīng)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(dāng)觀察到相鄰2個結(jié)構(gòu)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(shù)

火工矯正工藝參數(shù)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(yīng)不同的矯正參數(shù)，在矯正過程中必須嚴(yán)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(yīng)先矯正橫向角變形，后矯正縱向結(jié)構(gòu)彎曲變形。該順序在復(fù)雜焊接變形的矯正過程中體現(xiàn)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(jié)構(gòu)面朝下，放置在胎架平臺上，保證板單元件結(jié)構(gòu)受到胎架均勻支撐。首先矯正縱向兩側(cè)板邊角變形達到精度要求，以此為矯正平面度依據(jù)，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(yīng)保持加熱方向相同，以避免單元件扭曲變形;

②當(dāng)U肋結(jié)構(gòu)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(yīng)在縱向板邊設(shè)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(dāng)矯正橫向角變形工作結(jié)束后，板單元會產(chǎn)生背向U肋結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(yīng)保證橫向板邊及單元件縱向結(jié)構(gòu)均被胎架平臺均勻支撐，防止矯正過程中收縮不平衡;

②當(dāng)板單元件同時含有U肋及板狀加勁時，應(yīng)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(yīng)當(dāng)充分考慮焊接過程中焊接收縮應(yīng)力的作用位置，采取與之相對應(yīng)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(dāng)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(dāng)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(jié)構(gòu)的2條角焊縫之間加熱矯正橫向角變形，這樣會導(dǎo)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(dāng)板單元為U肋結(jié)構(gòu)時，采用線狀加熱法，從角焊縫熱影響區(qū)處動火，至另一側(cè)角焊縫處?；穑⒃赨肋轉(zhuǎn)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(jù)每條加熱線段的矯正收縮量，謹(jǐn)慎估算加熱線段數(shù)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(jié)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(jù)，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(shù)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(dāng)板單元為加勁板結(jié)構(gòu)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(chǎn)生收縮。經(jīng)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(shù)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(zhǔn)確滿足火工矯正所需的600～800℃的加熱溫度，避免出現(xiàn)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(diào)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(diào)藍、變細(短)，此時，火焰將變成氧化焰。

加熱時，應(yīng)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(jīng)驗較為豐富時，可以適當(dāng)借鑒經(jīng)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(yīng)關(guān)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(jù)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(yīng)由低到高，通過矯正溫度對應(yīng)的收縮變形量的經(jīng)驗數(shù)據(jù)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(nèi)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(fù)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(diào)整好加熱速度。同一位置加熱次數(shù)不得超過3次。

初次角變形矯正的加熱溫度應(yīng)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(shù)，應(yīng)根據(jù)具體情況綜合判斷。同時，加熱溫度應(yīng)以第1道加熱溫度為基準(zhǔn)，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(dāng)板單元為U肋結(jié)構(gòu)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(chǎn)生褶皺變形。根據(jù)實測數(shù)據(jù)，在如表1的參數(shù)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(dāng)板單元為加勁板結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)板單元縱向彎曲變形;采用三角形加熱法來矯正加勁板結(jié)構(gòu)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(dāng)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(yīng)平直。若單元件橫向板邊產(chǎn)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?qū)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(zhuǎn)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(zhuǎn)角處需進行2次重復(fù)加熱從而加大轉(zhuǎn)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(nèi)的縱向板邊觀察板邊和U肋轉(zhuǎn)角凸起處，從凸起處對應(yīng)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(zhuǎn)角處，轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(cè)轉(zhuǎn)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(zhǔn)確辨析變形原因，從而選擇正確的矯正方法和參數(shù)。

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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(chǎn)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(yīng)力的因素。

3)仔細觀察焊接應(yīng)力凸顯位置，對板單元波浪變形焊接應(yīng)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(shù)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(dāng)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(jié)構(gòu)面的單角上翹或?qū)巧下N，產(chǎn)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(fù)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(jié)構(gòu)側(cè)

加熱位置:仔細觀察單元件下?lián)咸幙v向板邊兩側(cè)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(nèi)測量出鋼板背向板單元結(jié)構(gòu)側(cè)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?zhǔn)郊訜岱?，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?lián)咸?，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(jié)構(gòu)側(cè)加熱矯正不同，當(dāng)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(yīng)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(jié)構(gòu)中的焊接應(yīng)力，不宜經(jīng)常使用。

4 結(jié)語

板單元件的鋼板越薄，火工矯正技術(shù)難度越高，矯正工藝越復(fù)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(yù)期的矯正效果。不同的矯正方法有不同的工藝參數(shù)、矯正順序和注意事項，是矯正工作的技術(shù)基礎(chǔ)。根據(jù)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(zhì)量得到保證。

火工矯正是一項技術(shù)含量高、質(zhì)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(zhì)量意識、工作態(tài)度等方面均有較高的水準(zhǔn)。同時火工矯正經(jīng)驗的多少對能否做好火工矯正也很關(guān)鍵，因此火工矯正人員應(yīng)相對固定，作業(yè)人員也需多實踐，勤總結(jié)，不斷積累經(jīng)驗，只有實踐與理論充分結(jié)合，才能做好火工矯正工作。