樓一鳴，趙 菲

（上海振華重工（集團）股份有限公司，上海 200125）

0 引言

結(jié)合工業(yè)4.0生產(chǎn)要推廣自動化的要求，為了改善產(chǎn)品質(zhì)量，降低勞動強度，提高生產(chǎn)效率，對部分符合設(shè)計要求的鋼結(jié)構(gòu)部件進行焊縫設(shè)計的再優(yōu)化。鑒于RTG（Rubber-Tyred Gantry Crane，輪胎式集裝箱門式起重機）鋼結(jié)構(gòu)制作中長距離縱向筋以往一直采用的雙面手工間斷焊方式焊縫成型質(zhì)量差、費時費力的實際情況，決定對此類縱向筋的焊接設(shè)計方案進行改進，推廣單面自動連續(xù)焊焊接方式。

1 單面自動連續(xù)焊與雙面手工間斷焊的差異

對鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計影響最大的主要為疲勞等級。在一些規(guī)范中，明確提及了自動焊與手工焊的比較、單面焊與雙面焊的比較、連續(xù)焊與間斷焊的比較。綜合中外多份起重機或鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范，從設(shè)計規(guī)范、技術(shù)等方面，對單面自動連續(xù)焊和雙面手工間斷焊方案的技術(shù)細節(jié)進行比較、分析。

1.1 自動焊與手工焊的比較

《EN 1993 1-9—2005 Eurocode 3 Design of steel structure》中，明確了平板件和機械連接接頭的構(gòu)造細節(jié)及相關(guān)描述。手工焊接方式有2種：①從兩側(cè)進行的自動角焊或?qū)雍福衅鸹?熄弧位置；②從單邊進行的自動對接焊，利用連續(xù)背襯板施工，但無起弧/熄弧位置。構(gòu)造細節(jié)如圖1所示。112為該疲勞細節(jié)的200萬循環(huán)許用疲勞應(yīng)力幅，即表示在此應(yīng)力幅值范圍內(nèi)，當前疲勞細節(jié)可認為使用200萬次不損壞。

自動焊接方式也有2種：①手工角焊或?qū)雍?；②從單邊進行的手工或自動對接焊，尤其適用于箱梁結(jié)構(gòu)。構(gòu)造細節(jié)如圖2所示。該焊接方式疲勞細節(jié)的200萬循環(huán)許用疲勞應(yīng)力幅為100。

上述2種焊接方式的第一步驟的差異在于自動焊和手工焊，對比自動焊/手工焊許用疲勞應(yīng)力幅結(jié)果為112/100=112%。因此，自動焊明顯優(yōu)于手工焊。

圖1 手工焊接方式

圖2 自動焊接方式

1.2 單面焊與雙面焊的比較

同樣，對于單面焊與雙面焊，EN 1993—2005也明確規(guī)定。例如，圖2中的2種焊接方法，分別屬雙面角焊縫及單面角焊縫，但在圖示應(yīng)力方向（主梁板內(nèi)應(yīng)力方向）的情況下，同屬同一等級。因此，單面焊與雙面焊在此條件下為同等設(shè)計。

1.3 連續(xù)焊與間斷焊的比較

關(guān)于連續(xù)焊與間斷焊的比較，在國家標準、FEM（歐洲機械搬運協(xié)會標準）、BS（British Standard，英國標準）、EN（歐洲標準）的規(guī)范中都有提及。

國家標準《GB 3811—2008起重機設(shè)計規(guī)范》和歐洲機械搬運協(xié)會標準《FEM 1.001/3—1987起重機械設(shè)計規(guī)范》，對連續(xù)焊與間斷焊的描述不盡相同。前者的描述為：焊縫平行于力的方向，將加勁肋焊接到連續(xù)主構(gòu)件上，焊縫端頭相等于10倍厚度的長度上為角焊縫，且經(jīng)打磨以避免出現(xiàn)應(yīng)力集中；焊縫平行于力的方向，用間斷角焊縫或用焊在缺口間的角焊縫將加勁肋固定到連續(xù)主構(gòu)件上（圖3）。

圖3 平板件和機械連接接頭的自動焊接方式

后者的描述為：平行于應(yīng)力方向的連續(xù)焊接筋板，端部為特殊質(zhì)量的角焊縫，長度超過10倍筋板厚度，打磨避免應(yīng)力集中；平行于應(yīng)力方向的連續(xù)焊接筋板，采用間斷焊或交叉間斷焊。

但是因為兩者采用了統(tǒng)一的理論體系，所以結(jié)論是一致的。

在這兩份標準中，對于筋板采用連續(xù)焊還是間斷焊給出的設(shè)計分組為同一組。

在英國標準BS 5400-4—1990中，連續(xù)的筋板焊縫為D類，而間斷焊縫的起熄弧位置為E類焊縫，因此，連續(xù)焊縫優(yōu)于間斷焊縫。

在EN 1993—2005中，對于連續(xù)焊與間斷焊的比較如圖2和圖4所示。其中，圖4的焊接方法為縱向間斷角焊縫，焊接方式的細節(jié)類別為80。兩種方式差異主要在于連續(xù)焊和間斷焊，對比連續(xù)/間斷焊許用疲勞應(yīng)力幅結(jié)果為100/80=125%。因此，連續(xù)焊明顯優(yōu)于間斷焊。

圖4 縱向間斷角焊縫的焊接方式

由上述比較可知，自動/手動=112/100=112%，單面/雙面=100/100=100%，連續(xù)/間斷=100/80=125%。因此，自動單面連續(xù)焊/手動雙面間斷焊=112% ×100% ×125%=140%。在規(guī)范有明確數(shù)值差異提示的前提下，采用單面自動連續(xù)焊相比雙面手工間斷焊具有40%的額外的設(shè)計疲勞安全裕度。

2 單面自動連續(xù)焊與雙面手工間斷焊的技術(shù)差異

單面自動連續(xù)焊與雙面手工間斷焊的優(yōu)缺點如表1所示。

表1 單面自動連續(xù)焊與雙面手工間斷焊的優(yōu)缺點

現(xiàn)在，自動焊機的焊接方式主要有平吸式和側(cè)吸式2種，均為主流工業(yè)產(chǎn)品，簡單可靠。常用的自動角焊小車如圖5所示。

圖5 自動角焊小車

3 結(jié)論

在鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件中，推廣單面自動連續(xù)焊接有多個設(shè)計規(guī)范的理論支持，還有疲勞壽命的數(shù)理支持、現(xiàn)場施工的操作支持以及焊縫成品的質(zhì)量支持等有利因素。因此，具備施工條件的情況下，如果想提升產(chǎn)品的質(zhì)量和美譽度，建議實施單面自動連續(xù)焊接。

[1]全國起重機械標準化技術(shù)委員會.GB 3811—2008起重機設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國標準出版社，2008.

[2]EN 1993 1-9 2005 Eurocode 3 Design of steel structure[S].2005.

[3]歐洲機械搬運協(xié)會.FEM 1.001/3-1987，起重機械設(shè)計規(guī)范[S].1987.

[4]BS 5400-4-1990 Steel,concrete and composite bridges-Part10：Codeof practice[S].1990.