楊 華，金 闖，呂海軍，劉昌榮

（1.柳州鋼鐵集團(tuán)有限公司工程技術(shù)公司，廣西 柳州545002；2.中建鋼構(gòu)有限公司，廣東 深圳518040）

散索鞍鞍體主要是用于橋頂上載荷通過(guò)主纜索的重要結(jié)構(gòu)件。散索鞍鞍體是由鑄鋼件—鞍頭、底座及低合金鋼鋼板—縱板、橫板焊接而成，最終形成箱型結(jié)構(gòu)，總長(zhǎng)3 m、寬2.4 m、高約3.5 m，每件單重約29 t（如圖1）。按工藝要求，焊接制作完成后需進(jìn)行消除殘余應(yīng)力處理，目前柳州市沒(méi)有能夠容納此構(gòu)件的退火爐。為此，公司與南寧市神華振動(dòng)時(shí)效技術(shù)研究所共同利用振動(dòng)時(shí)效技術(shù)，為散索鞍鞍體如何消除焊件殘余應(yīng)力進(jìn)行研究。

圖1 散索鞍鞍體

1 焊前裝配

散索鞍結(jié)構(gòu)，如圖2所示。其裝配步驟如下：（1）安裝拼裝平臺(tái)，將鞍頭倒置平穩(wěn)放置，點(diǎn)固。（2）在鞍頭倒置平面上根據(jù)金工畫(huà)出中心線畫(huà)出4（豎橫板 3）、5（豎縱板）、7（豎橫板 4）、8（斜縱板 1）、9（豎橫板 2）、10（豎橫板 5)、11(斜縱板 2）、12（豎橫板6）號(hào)、的拼裝線。為方便測(cè)量定位5號(hào)板在鞍頭的垂直度和中心線，應(yīng)在鞍頭開(kāi)口處，畫(huà)基準(zhǔn)線。

圖2 散索鞍鞍體

（3）放平5號(hào)板，在其上面拼裝6、9號(hào)板，點(diǎn)固后，拼裝 5、6、9 號(hào)板，點(diǎn)固。拼裝 5、10、12 號(hào)，同 5、6、9號(hào)板一樣，5號(hào)板安裝吊耳。

（4）拼裝4、7號(hào)板點(diǎn)固，7號(hào)板上安裝吊耳，點(diǎn)固。

（5）在鞍頭上拼裝5、6、9號(hào)板、點(diǎn)固。其次拼裝4、7 號(hào)板，點(diǎn)固后，拼裝 5、10、12 號(hào)板，點(diǎn)固(與鞍頭接觸面，應(yīng)墊2～3mm墊片）。

（6）4、5、6、7、9、10、12 號(hào)板與鞍頭就行全面點(diǎn)固，6、10號(hào)板進(jìn)行滿焊，5號(hào)板打底焊。

（7）安裝基準(zhǔn)板，點(diǎn)固，如圖3所示，基準(zhǔn)板安裝圖。

圖3 基準(zhǔn)板安裝圖

（8）在8、11號(hào)板安裝吊耳，尺寸比原來(lái)增大15～20mm，點(diǎn)固。

（9）鞍頭上安裝8、11號(hào)板，點(diǎn)固，去除基準(zhǔn)板（8、11號(hào)板長(zhǎng)的邊應(yīng)該在鞍頭小開(kāi)口面、鞍頭接觸面，坡口大的朝外面）。

（10）切掉所有吊耳，必要時(shí)進(jìn)行打磨。

（11）底座安裝吊耳，然后在7、9、12號(hào)的平面上拼裝，點(diǎn)固，在鞍頭上安裝四個(gè)吊耳，點(diǎn)固。

（12）全面加固后進(jìn)行滿焊。

（13）1（斜橫板 1）、3（斜橫板 2）號(hào)板上安裝吊耳，點(diǎn)固。在已滿焊的鞍體翻轉(zhuǎn)90°（需要制作一個(gè)大約1米的墊平平臺(tái)），放穩(wěn)墊平，拼裝1號(hào)板，點(diǎn)固，再翻轉(zhuǎn)180°，放穩(wěn)墊平，安裝3號(hào)板。

（14）焊接（見(jiàn)焊接工藝）。

（15）振動(dòng)時(shí)效去應(yīng)力。

2 焊接

2.1 焊接過(guò)程

（1）全部位定位焊牢。

（2）先對(duì)稱焊接序號(hào)4、6、10豎橫板與鞍頭接觸處及鞍體底座處焊縫，開(kāi)坡口處焊縫余高3～5 mm即可，t=40鋼板兩側(cè)未開(kāi)坡口焊縫角高24mm.

（3）側(cè)臥焊接序號(hào) 5、8、11，件 8、11 打底內(nèi)側(cè)焊縫后，外側(cè)清根、打磨，對(duì)稱反復(fù)翻轉(zhuǎn)焊接，每邊焊接3道后翻轉(zhuǎn)一次，不允許一邊焊完后再焊另一邊，外側(cè)焊縫余高2～3mm，內(nèi)側(cè)10mm即可。

（4）每道焊縫在焊接約一小半后，進(jìn)行超聲波探傷檢驗(yàn)，達(dá)到二級(jí)焊縫后才能繼續(xù)焊接，如不達(dá)標(biāo)需處理后才能繼續(xù)。

（5）由于坡口較小，需采用 506φ4焊條打底焊。

（6）兩邊反復(fù)翻轉(zhuǎn)對(duì)稱焊接，外側(cè)填平即可，兩邊在焊接高約25 mm左右時(shí)進(jìn)行超聲波探傷檢測(cè)，焊縫要符合II級(jí)要求。

2.2 焊接難點(diǎn)分析

鞍體焊接主要難點(diǎn)如下：

（1）鑄造組織材料冷裂紋敏感度較高，特別在大坡口焊縫焊接方面，鞍座結(jié)構(gòu)焊后因?yàn)楹附討?yīng)力容易產(chǎn)生冷裂紋。

（2）鞍體組焊鋼板與鑄件之間、鋼板之間焊接操作空間較小，給焊接作業(yè)帶來(lái)一定困難。

（3）肋板、鞍頭和底板為封閉格字型大坡口全熔透對(duì)接，而且是厚板焊接，結(jié)構(gòu)剛性很大，焊縫密集導(dǎo)致應(yīng)力集中明顯，容易造成層狀撕裂等焊接缺陷。

因鞍體結(jié)構(gòu)限制，某些焊縫較難實(shí)施焊接作業(yè)，為了保證焊接質(zhì)量，根據(jù)多年做索鞍的經(jīng)驗(yàn)，焊接工程師的建議及技術(shù)的要求，確保結(jié)構(gòu)安全和焊縫焊接性的操作可行性。采取以下措施：

（1）焊接前，對(duì)焊縫及材料進(jìn)行清理，避免因?yàn)殡s質(zhì)產(chǎn)生焊接缺陷；

（2）如圖 2，在安裝好 4、5、6、7、9、10、12 后，進(jìn)行全面加固，然后焊接4、5、6、10板，減少焊接人員的操作難度；

（3）焊接時(shí)，相對(duì)應(yīng)的焊縫同時(shí)焊接，減少應(yīng)力集中；

（4）打底焊接時(shí)候，焊條盡量不擺動(dòng)，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)不同、容易產(chǎn)生拉裂；

（5）對(duì)焊接區(qū)域進(jìn)行預(yù)熱和緩冷措施，能有效預(yù)防冷裂紋的出現(xiàn)；

（6）選擇具有熔敷率較高、焊縫成型比較美觀、低氫型焊絲CO2氣體保護(hù)焊焊接，焊接工藝要求只能平焊，盡量避免或者不用仰焊和立焊，所以焊接是對(duì)工件進(jìn)行多次翻轉(zhuǎn)；

（7）選用與母材強(qiáng)度相匹配，具有較好焊接性能的H08MnSiA藥芯焊絲，焊接前對(duì)焊絲嚴(yán)格進(jìn)行了烘干處理，清除焊絲、坡口上的油污、水份、鐵銹等物質(zhì)。通過(guò)以上措施，在結(jié)構(gòu)安全前提下，簡(jiǎn)化了焊接難度，減小了焊接時(shí)的應(yīng)力集中，減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，更好地保證了焊接質(zhì)量；

（8）預(yù)熱，只是針對(duì)鞍頭和肋板、底座和肋板。焊接工藝參數(shù)如下表1所列。

表1 焊接工藝參數(shù)表

3 散索鞍鞍體振動(dòng)時(shí)效工藝

振動(dòng)時(shí)效是使工件在激振器所施加的周期性外力作用下產(chǎn)生共振，松弛殘余應(yīng)力，獲得尺寸精度穩(wěn)定性。也就是在機(jī)械的作用下，使構(gòu)件產(chǎn)生局部的塑性變形，從而使殘余應(yīng)力得到釋放，以達(dá)到降低和調(diào)整殘余應(yīng)力的目的。

散索鞍鞍體振動(dòng)時(shí)效工藝為：使用“全自動(dòng)軋輥亞共振時(shí)效儀”進(jìn)行振動(dòng)時(shí)效處理，采用膠墊四點(diǎn)支撐，支撐位置在兩端部位置，激振器放置在散索鞍體旁邊一個(gè)端部邊角位置，激振器偏心角取120°，在電機(jī)轉(zhuǎn)速為10 035 r/min的共振峰的2/3亞共振點(diǎn)振動(dòng)30 min，時(shí)效時(shí)候振動(dòng)加速度值為80 m/s2，處理后，再將測(cè)振器移到散索鞍鞍體另外一個(gè)對(duì)面位置，在電機(jī)轉(zhuǎn)速為11 274 r/min的2/3亞共振點(diǎn)振動(dòng)30 min，時(shí)效時(shí)候振動(dòng)加速度值為70 m/s2，一件散索鞍鞍體總計(jì)振動(dòng)再次，時(shí)效時(shí)間約為1 h，振動(dòng)時(shí)效現(xiàn)場(chǎng)及時(shí)效曲線如圖4、5、6、7所示，振動(dòng)時(shí)效工藝曲線符合JB/T5926-2005振動(dòng)時(shí)效技術(shù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定[1]的范疇，該振動(dòng)有效。

圖4 散索鞍鞍體振動(dòng)時(shí)效現(xiàn)場(chǎng)一

圖5 散索鞍鞍體振動(dòng)時(shí)效現(xiàn)場(chǎng)二

圖6 散索鞍鞍體振動(dòng)時(shí)效工藝曲線（11274 r/m in）

圖7 散索鞍鞍體振動(dòng)時(shí)效工藝曲線（10035 r/m in）

4 殘余應(yīng)力測(cè)量原理和方法

采用盲孔法應(yīng)力測(cè)量?jī)x對(duì)殘余應(yīng)力進(jìn)行測(cè)試。

盲孔法[2]測(cè)試原理：盲孔法測(cè)量殘余應(yīng)力是指在有殘余應(yīng)力的部位鉆一個(gè)小孔，因小孔附近的殘余應(yīng)力被釋放，孔區(qū)附近的殘余應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生變化，只要測(cè)出該局部區(qū)域的應(yīng)變變化量，即可計(jì)算出鉆孔處釋放前的殘余應(yīng)力值。通過(guò)對(duì)時(shí)效前后的焊縫周圍租用盲孔法測(cè)量，對(duì)比兩者殘余應(yīng)力的變化情況，就可以了解殘余應(yīng)力的消除情況。

盲孔測(cè)試方法如下：

（1）測(cè)量前準(zhǔn)備：釋放系數(shù)標(biāo)定、附加加工應(yīng)變的測(cè)定、鉆孔設(shè)備的檢查和調(diào)整等；

（2）應(yīng)變花的處理和粘貼：待測(cè)構(gòu)件表面打磨、擦洗檢查應(yīng)變花、用膠水粘貼應(yīng)變花（兩個(gè)互相垂直的應(yīng)變花分別平行和垂直方向）；

（3）鉆小孔、讀應(yīng)變：應(yīng)變花貼好，固化后連接應(yīng)變儀，在指定位置鉆φ1.5×2.0 mm小孔，鉆后10 s左右可從讀取釋放應(yīng)變。

5 散索鞍鞍體殘余應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置

為全面了解散索鞍鞍體焊縫位置的殘余應(yīng)力分布情況，在散索鞍鞍體的全段焊縫位置，分左右均勻選取10個(gè)測(cè)試點(diǎn)如圖1所示，分別編號(hào)為1#、2#、3#、4#、5#、6#、7#、8#、9# 各 10#，對(duì) 1#、2#、3#、4# 和5#進(jìn)行振動(dòng)前殘余應(yīng)力測(cè)試，對(duì) 6#、7#、8#、9#各10#進(jìn)行振動(dòng)后殘余應(yīng)力測(cè)試（如圖8）。

圖8 應(yīng)力測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)圖

6 散索鞍鞍體殘余應(yīng)力測(cè)量結(jié)果

殘余應(yīng)力測(cè)試結(jié)果如表2所列。

表2 散索鞍鞍體振動(dòng)時(shí)效前后殘余應(yīng)力測(cè)試數(shù)據(jù)與結(jié)果

殘余應(yīng)力中，應(yīng)力釋放系數(shù)參考值取為：k1=-1.329，k2=-0.379.

工件上 1#、2#、3#、4#和 5#測(cè)試處綜合殘余應(yīng)力值分別為 436 MPa、505 MPa、449 MPa、747 MPa和348 MPa，平均應(yīng)力值為 497 MPa.工件上 6#、7#、8#、9#各10#測(cè)試處綜合殘余應(yīng)力值分別為243 MPa、110 MPa、340 MPa和196 MPa，平均應(yīng)力值為222 MPa.振動(dòng)時(shí)效可以將散索鞍鞍體的綜合殘余應(yīng)力從497 MPa降到222 MPa，下降值為275 MPa，平均殘余應(yīng)力下降率為55%，符合振動(dòng)時(shí)效國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的要求（大于30%）。

7 結(jié)束語(yǔ)

綜上分析，得出以下結(jié)論：

（1）散索鞍鞍體焊接后，其焊縫處的平均應(yīng)力值為497 MPa，應(yīng)力分布很不均勻，存在應(yīng)力變形或開(kāi)裂的可能性，處于不安全的狀態(tài)，是有必要進(jìn)行消除殘余應(yīng)力的時(shí)效處理的。

（2）散索鞍鞍體振動(dòng)時(shí)效處理后，平均殘余應(yīng)力下降率為55%，其焊縫處的平均應(yīng)力值為222 MPa，應(yīng)力分布已經(jīng)均勻，不存在應(yīng)力變形或開(kāi)裂的可能性，處于安全的狀態(tài)。

（3）散索鞍鞍體應(yīng)用振動(dòng)時(shí)效是可行的。

[1]JB/T5926-2005.振動(dòng)時(shí)效行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[S].

[2]ASTM E837-08.盲孔法標(biāo)準(zhǔn)[S].