文/彭雪鋒,韓靜濤,蘇伯泰·北京科技大學(xué)材料加工與控制工程系
熱輥壓成形技術(shù)在橋梁用新型U肋制造中的應(yīng)用
文/彭雪鋒,韓靜濤,蘇伯泰·北京科技大學(xué)材料加工與控制工程系
彭雪鋒,博士研究生,就讀于北京科技大學(xué)材料科學(xué)與工程專業(yè),長(zhǎng)期從事冷彎成形技術(shù)的研究和應(yīng)用,博士研究課題為高強(qiáng)鋼熱輥壓成形技術(shù)研究與應(yīng)用,擁有專利6項(xiàng),第一作者身份完成論文9篇。
隨著世界橋梁的發(fā)展和鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)的進(jìn)步,從20世紀(jì)中葉開(kāi)始,隨著正交異性薄壁鋼箱梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)水平日趨成熟以及焊接技術(shù)的提升,鋼箱梁結(jié)構(gòu)以其高度低、自重輕、極限承載力大、易于加工制造且結(jié)構(gòu)連續(xù)等特點(diǎn),在大跨度橋梁中得到了普遍應(yīng)用,如圖1所示。正交異性橋面板主要由鋼結(jié)構(gòu)面板以及與其焊接的橫梁、縱肋構(gòu)成,其中縱肋以U肋結(jié)構(gòu)為主,由于U肋能夠提供較大的抗扭剛度和抗彎剛度,能夠改善整個(gè)橋面板的受力狀態(tài),因此成為現(xiàn)代正交異性橋面板最常用的截面形式。
圖1 鋼結(jié)構(gòu)橋梁示意圖
由于近些年車輛快速增長(zhǎng)以及長(zhǎng)期超載荷負(fù)重的影響下,我國(guó)已建成在使用的鋼結(jié)構(gòu)橋梁中,部分正交異性鋼橋發(fā)現(xiàn)縱肋與橋面板的焊接處有不同程度的疲勞裂紋,分析其主要原因?yàn)椋篣肋為閉口結(jié)構(gòu),在焊接時(shí)只能從單面施焊,傳統(tǒng)采用75%~85%的部分熔透焊,焊接面積較小;而未熔合部分本身就形成一個(gè)天然的初始裂紋,在反復(fù)載荷作用下,導(dǎo)致橋面板與U肋焊縫處易疲勞開(kāi)裂,進(jìn)而降低整個(gè)橋梁的壽命;此外,U肋的頂部焊縫部分與U肋非焊接部分相比,其截面厚度較小,使得連接處有一定程度的偏心,焊接處偏心導(dǎo)致附加彎矩形成應(yīng)力集中,從而誘發(fā)裂縫。
目前橋梁用U肋都是采用等厚的鋼板冷加工成形工藝制造,針對(duì)U肋結(jié)構(gòu)與橋面板的焊接面積小、焊縫容易疲勞開(kāi)裂等缺陷問(wèn)題,近年來(lái)任自如、陳建國(guó)等學(xué)者相繼提出新型U肋結(jié)構(gòu),如圖2所示,以改善U肋與橋面板的焊接面積,提高焊縫的抗疲勞性能以及結(jié)構(gòu)剛度。
圖2 傳統(tǒng)U肋(a)和新型U肋(b)結(jié)構(gòu)示意圖
上述學(xué)者并沒(méi)有給出新型U肋的制備方法,韓蕾蕾等人雖提出了一種非等厚U肋的加工方法,但是采用熱軋成形工藝,該工藝材料利用率和熱效率較低,以及對(duì)U肋長(zhǎng)度有所限制。本研究提出了一種新型U肋局部加熱輥壓成形技術(shù),如圖3所示,根據(jù)新型U肋局部加熱熱塑性形變規(guī)律,利用SolidWorks軟件設(shè)計(jì)了一套新型U肋局部加熱輥壓成形工藝裝置。
圖3 新型U肋局部加熱輥壓工藝示意圖
該裝備涉及一種橋梁用新型U型肋熱輥壓成形裝置,屬于非等厚熱成形設(shè)備領(lǐng)域。本成形裝置主要由兩部分組成:
⑴感應(yīng)加熱裝置,如圖4所示,其主要由感應(yīng)加熱線圈和調(diào)整機(jī)構(gòu)組成,通過(guò)螺栓調(diào)整選擇合適的加熱成形區(qū)域,當(dāng)來(lái)料被送入到加熱裝置,迅速升溫到要求的目標(biāo)溫度,接著送入輥壓成形裝置;該感應(yīng)加熱裝置為中頻加熱,感應(yīng)線圈U型槽尺寸大小為寬20mm,深度70mm,外周圍由非導(dǎo)磁物質(zhì)包裹,以保護(hù)感應(yīng)線圈不被擦傷,線圈中間通有冷卻水;其螺栓傳動(dòng)機(jī)構(gòu),利用螺栓傳動(dòng),可實(shí)現(xiàn)感應(yīng)線圈上下移動(dòng),調(diào)整距離為200mm;通過(guò)墊片來(lái)調(diào)整感應(yīng)線圈角度,調(diào)節(jié)范圍為70°~85°。
圖4 感應(yīng)加熱裝置示意圖
⑵輥壓成形裝置,如圖5所示,感應(yīng)加熱達(dá)到目標(biāo)要求加熱溫度后,送入輥壓成形裝置;成形裝置由兩個(gè)道次組成,其作用分別是粗成形和精成形,道次壓下量分別為4mm和3mm,之后,利用三點(diǎn)彎曲余熱矯直原理,采用三個(gè)機(jī)架底輥高度差以及熱成形后的余熱對(duì)U肋進(jìn)行矯直處理,整形后的新型U肋實(shí)物如圖6所示。
圖5 輥壓成形過(guò)程
圖6 新型U肋
該熱輥壓成形技術(shù)優(yōu)點(diǎn)如下:
⑴成形速度快,熱效率高,得到的U型肋殘余應(yīng)力小,且增大了與橋面板的焊接面積,提高了與橋面板的連接強(qiáng)度和焊縫的抗疲勞性能。
⑵適應(yīng)范圍廣,可滿足不同厚度和加熱深度的U肋,以及通過(guò)調(diào)整機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)不同尺寸U肋的熱輥壓成形。
⑶可作為一個(gè)模塊嵌入到在線冷彎生產(chǎn)工藝中,對(duì)U肋進(jìn)行端部增厚處理,或者作為一個(gè)獨(dú)立成形模塊,對(duì)普通U肋進(jìn)行二次端部增厚處理加工,方便快捷,并可滿足不同長(zhǎng)度U肋的需求。
本研究課題提出了一種橋梁用新型U肋的局部加熱輥壓成形工藝,解決了傳統(tǒng)U肋焊接區(qū)域小、熔深淺、強(qiáng)度低等缺點(diǎn);并設(shè)計(jì)出了配套的工藝裝備,替代傳統(tǒng)切邊裝置,作為系統(tǒng)模塊嵌入并不會(huì)增加太高成本,且新型U肋的焊接端部組織和力學(xué)性能大大提高,焊接熔深大大改善。