徐建中 鐘 毅

上海振華重工(集團(tuán))股份有限公司長(zhǎng)興分公司

1 引言

鹽田岸邊集裝箱起重機(jī)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)岸橋)前后大梁總長(zhǎng)約125 m，高度4 650 mm，小車(chē)軌道開(kāi)檔4 200 mm，總重約210 t。岸橋65 t載荷循環(huán)次數(shù)達(dá)到4×106次，前后大梁疲勞等級(jí)分布見(jiàn)圖1、圖2。大梁的下弦箱體為非對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，整個(gè)大梁對(duì)直線度、小車(chē)承軌梁的開(kāi)檔、高低差，尤其是承軌梁平整度要求非常高，制作過(guò)程中必須嚴(yán)控尺寸精度。

圖1 前大梁的疲勞等級(jí)分布

圖2 后大梁的疲勞等級(jí)分布

前后大梁的結(jié)構(gòu)分為3個(gè)區(qū)域：前大梁的大部分上弦、側(cè)片腹桿和后大梁的海陸側(cè)上橫梁之間的上弦、側(cè)片腹桿屬于E區(qū)域，除設(shè)計(jì)圖紙要求外，禁止任何附屬件的焊接，包括堆焊以及臨時(shí)的私搭亂焊；F區(qū)域允許存在臨時(shí)焊接，但臨時(shí)焊接件的尺寸和焊縫需要滿足疲勞等級(jí)F的要求，需提交附屬件尺寸和焊縫形式給設(shè)計(jì)方與liftech進(jìn)行核對(duì)；左右側(cè)片之間的腹桿和聯(lián)系橫梁(與承軌梁連接的部分為E區(qū)域)按常規(guī)項(xiàng)目制作。整個(gè)項(xiàng)目均禁止任何F2等級(jí)和G等級(jí)的臨時(shí)焊縫。

2 桁架大梁的結(jié)構(gòu)形式

桁架梁主體結(jié)構(gòu)由上弦、下弦、斜腹桿、頂面斜撐和內(nèi)部撐桿等組成(見(jiàn)圖3)。以后大梁為例，常見(jiàn)的桁架大梁按截面形式一般為矩形截面梁。因承載能力和結(jié)構(gòu)剛性要求，矩形梁的下弦截面形式為倒置三角形形式。

1.上弦 2.下弦 3.斜腹桿 4.頂面斜撐圖3 桁架梁結(jié)構(gòu)示意圖

3 箱體變形分析

下弦不規(guī)則箱體制作過(guò)程中的數(shù)控切割、焊接工藝，極易導(dǎo)致箱體直線度超出技術(shù)要求，并出現(xiàn)整體扭曲和小車(chē)承軌梁面板波浪變形等質(zhì)量問(wèn)題，嚴(yán)重影響產(chǎn)品功能。

3.1 數(shù)控變形

上弦結(jié)構(gòu)中的上下翼板、斜腹板和小車(chē)承軌梁腹板的長(zhǎng)寬比達(dá)35～40，屬細(xì)長(zhǎng)板料，數(shù)控等離子、數(shù)控火焰切割機(jī)下料后，在鋼板切割邊緣易產(chǎn)生沿長(zhǎng)度方向旁彎；小車(chē)承軌梁腹板、內(nèi)外斜腹板開(kāi)坡口易導(dǎo)致旁彎；細(xì)長(zhǎng)板單邊受熱時(shí)也會(huì)產(chǎn)生旁彎。

3.2 焊接變形

小車(chē)承軌梁腹板組件(T形)雙面焊后，由于焊接熱輸入在承軌梁面板的中間兩側(cè)，焊縫距兩側(cè)邊緣較遠(yuǎn)，熔透焊縫寬度達(dá)36 mm，焊縫冷卻后引起很大的角變形。

下弦箱體三面成型時(shí)，施焊上翼板與斜腹板之間的通長(zhǎng)焊縫會(huì)引起上拱和上翼板的波浪變形。節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)焊縫為單面襯墊焊，其余焊縫為單面坡口焊，焊縫偏在箱體的上部，形成相對(duì)箱體幾何中心的上拱；薄板局部的焊縫返修，導(dǎo)致熱量集中在該區(qū)域，拉應(yīng)力和壓應(yīng)力不平衡，相對(duì)較薄的上翼板(厚度20 mm)失穩(wěn)，出現(xiàn)上翼板的波浪變形。

下弦箱體四面成型時(shí)，施焊下翼板與斜腹板之間的通長(zhǎng)焊縫會(huì)引起下拱和下翼板的角變形。下拱產(chǎn)生的原理與上翼板上拱原因相同，雖能抵消部分上拱，但不足以完全克服，下弦最終仍為上拱；同時(shí)下翼板的角焊縫相鄰，每個(gè)焊縫產(chǎn)生的角變形疊加在一起就會(huì)形成波浪變形。由于上下翼板的角變形沿長(zhǎng)度上分布不均勻，偏離中性軸，使得上下角變形沿著焊縫長(zhǎng)度逐漸增大，使構(gòu)件扭轉(zhuǎn)，產(chǎn)生扭曲變形。

4 減少變形的工藝方案

(1)分段法，通過(guò)減少焊縫長(zhǎng)度以避免較大變形或較大變形的累加。

(2)優(yōu)化裝配順序，將下弦結(jié)構(gòu)拆解為小車(chē)承軌梁和三角箱體組件，分別制作組件時(shí)可以自由收縮，焊接過(guò)程中結(jié)合?；鸱醋冃?，將組件的變形控制到最小；合格的組件再拼焊成整體，由于整體構(gòu)件的剛性大，引起的變形小，不會(huì)出現(xiàn)復(fù)合變形無(wú)法校正的情況。

(3)對(duì)稱(chēng)制作，充分利用結(jié)構(gòu)左右對(duì)稱(chēng)和焊縫左右對(duì)稱(chēng)的特點(diǎn)，對(duì)稱(chēng)相反的變形可以相互抵消，下弦組件和整體均對(duì)稱(chēng)制作。

(4)合理安排焊接順序，先進(jìn)行短焊縫的焊接，然后施焊長(zhǎng)焊縫；先對(duì)接焊，再角焊；先熔透焊，再非熔透焊。

5 下弦制作工藝

5.1 下弦整體制作要求

由于下弦箱體的截面尺寸、直線度、扭曲度和小車(chē)承軌梁平整度直接關(guān)系到桁架大梁成型的質(zhì)量，對(duì)小車(chē)重載高速運(yùn)行起著決定性的作用，制作時(shí)必須嚴(yán)格控制精度。

外形尺寸公差為±1.5 mm；分段扭曲≤6 mm；整根下弦扭曲≤8 mm；取對(duì)應(yīng)箱體內(nèi)隔板處及其與相鄰隔板的中間位置為參考測(cè)量點(diǎn)(見(jiàn)圖4)。下弦任意長(zhǎng)度直線度≤2 mm/2 m；分段直線度≤5 mm；整根對(duì)接后直線度≤10 mm。小車(chē)承軌梁平整度：橫向A點(diǎn)和C點(diǎn)相對(duì)B點(diǎn)≤1 mm；縱向相鄰兩點(diǎn)≤2 mm。

圖4 下弦的控制要求

5.2 下弦制作工藝

5.2.1 分段制作和預(yù)留余量

因弦體長(zhǎng)度在60 m左右，下弦截面高度520 mm，屬細(xì)長(zhǎng)體，所以下弦分段成對(duì)制作，以減小整體扭曲和旁彎。每段長(zhǎng)度以20 m左右為宜，為減少工藝拼縫數(shù)量，盡可能利用構(gòu)件設(shè)計(jì)時(shí)原有的拼板拼縫(見(jiàn)圖5)。

圖5 下弦的分段制作

各分段長(zhǎng)度在對(duì)接端一側(cè)預(yù)留50 mm的余量，用于焊縫收縮和控制大梁整體長(zhǎng)度，如XX1的海側(cè)端和XX2的海側(cè)端。余量修割時(shí)，應(yīng)由厚板向薄板過(guò)渡，即厚板長(zhǎng)度不允許小于設(shè)計(jì)要求。段內(nèi)和段間根據(jù)板厚不同選擇適合的焊接電流、焊條直徑、焊速等參數(shù)，使焊接變形均勻一致。

5.2.2 箱體裝配順序

下弦構(gòu)件分為兩個(gè)組件進(jìn)行裝配焊接。

組件一上翼板(1)下料時(shí)左右側(cè)合并為整塊，并且中間留5 mm的剖分余量，暫不剖分。劃出小車(chē)承軌梁腹板(2)中心線、三角箱體中心線、小車(chē)承軌梁加強(qiáng)板(3)以及內(nèi)隔板的安裝線并裝配。施焊承軌梁腹板的焊縫①，內(nèi)側(cè)施焊，外側(cè)碳刨清根。施焊小車(chē)承軌梁加強(qiáng)板與腹板焊縫②，為了減少上翼板的波浪變形，與上翼板之間的焊縫不焊(見(jiàn)圖6)。

圖6 下弦組件一和組件二

在下翼板(4)上劃出三角箱體中心線、三角箱體內(nèi)側(cè)腹板(5)、外側(cè)腹板(6)安裝線以及內(nèi)隔板(7)的安裝線并裝配，其內(nèi)外側(cè)腹板板厚中心線交點(diǎn)即為箱體中心線。施工時(shí)可以借助導(dǎo)向定位板斜勢(shì)，采用激光校正后定位安裝兩斜腹板和內(nèi)隔板。按設(shè)計(jì)藍(lán)圖要求劃出圖紙所需外形尺寸(注意高度方向要考慮收縮余量)。焊接時(shí)先定位焊斜腹板，然后燒焊內(nèi)隔板焊縫③。

將組件二翻身，與組件一裝配，在左右方向固定組件二，先施焊組件二與上翼板(1)焊縫④和⑤，再施焊小車(chē)承軌梁加強(qiáng)板與組件二的焊縫⑥。為減少襯墊焊焊縫④產(chǎn)生的角變形引起的波浪變形，在非腹桿節(jié)點(diǎn)板對(duì)應(yīng)位置(非主要受力位置)，焊縫改為變形較小的單面坡口焊，然后完成小車(chē)承軌梁加強(qiáng)板與上翼板焊縫⑦(見(jiàn)圖7)。

圖7 下弦箱體四面成型

下弦箱體一分為二后，翻身，最后完成組件二的斜腹板與下翼板之間焊縫⑨(見(jiàn)圖8)。

圖8 下弦施焊

其中焊縫①、④、⑤、⑨通條焊縫的施焊方法為：分段、間隔、多層多道、對(duì)稱(chēng)燒焊，由中間向兩側(cè)燒焊。

6 桁架制作工藝創(chuàng)新

桁架主結(jié)構(gòu)的疲勞等級(jí)為E級(jí)，即為最大限度減少應(yīng)力集中，整個(gè)制造過(guò)程中禁止任何附屬工藝件的焊接、臨時(shí)焊縫、堆焊和完全杜絕母材損傷。為了符合以上工藝要求，項(xiàng)目制作時(shí)有以下幾個(gè)工藝創(chuàng)新。

6.1 工藝流程優(yōu)化

數(shù)控排版時(shí)預(yù)先在板片中間、板單元對(duì)接焊縫兩側(cè)、腹桿與節(jié)點(diǎn)板對(duì)接焊縫端部以及吊裝點(diǎn)增加“凸臺(tái)”余量，作為卡碼、引熄弧板點(diǎn)焊和板單元翻身吊耳焊接的專(zhuān)用區(qū)域，焊后割除，從而避免在母材上直接焊接。

預(yù)制上弦H型鋼時(shí)，為減少焊后?；鸸ぷ髁?，特別設(shè)計(jì)專(zhuān)用的制作工裝和對(duì)接工裝。工裝根據(jù)板厚調(diào)整，滿足了上弦各種不同板厚的裝配和焊接翻身要求；采用“背靠背”反變形工藝方法，保證了焊后工字鋼的上下翼板開(kāi)檔尺寸和翹曲變形在要求范圍內(nèi)。結(jié)合成型工裝和側(cè)片吊裝工裝，使工藝過(guò)程實(shí)現(xiàn)了完全無(wú)碼化，杜絕了臨時(shí)焊縫施焊和去除工作量，提高了產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。

6.2 優(yōu)化焊接方式

為了提高疲勞等級(jí)，上下弦腹桿與節(jié)點(diǎn)板對(duì)接UT焊縫不開(kāi)過(guò)焊孔，采取改變坡口方向的方案，翼板單面大V型坡口朝向內(nèi)側(cè)，同時(shí)坡口兩側(cè)的對(duì)應(yīng)腹板位置開(kāi)雙面坡口，坡口開(kāi)制到底。在內(nèi)側(cè)施焊，對(duì)接縫在腹板板厚位置且正好在腹板角焊坡口內(nèi)，正面碳刨清根，然后施焊翼板對(duì)接縫并蓋面，再施焊腹板的坡口角焊縫和腹板對(duì)接焊縫。經(jīng)過(guò)以上優(yōu)化工藝，桁架側(cè)片的對(duì)接焊縫達(dá)到預(yù)期要求。

6.3 桁架后大梁與海陸側(cè)上橫梁的無(wú)碼精測(cè)拼裝

后大梁與海陸側(cè)上橫梁拼接處形成280×1 250×570 mm(長(zhǎng)×寬×高)密封六面體，要求均為雙面坡口UT焊縫。通過(guò)精確測(cè)量構(gòu)件拼接尺寸、配修余量，在后大梁內(nèi)側(cè)節(jié)點(diǎn)板上開(kāi)工藝孔的方案；但即使開(kāi)工藝孔，箱體空間狹小，焊工不能帶頭盔，幾乎不能轉(zhuǎn)身，有近一半的焊縫需要反手施焊，考驗(yàn)焊工施焊水平。因此制作1∶1接頭段模型進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)減小箱體內(nèi)焊縫坡口角度，增大外側(cè)碳刨清根坡口角度，先立焊后平焊的焊接順序，糾正預(yù)熱清渣工序等特殊措施，可以滿足上橫梁節(jié)點(diǎn)板與后大梁上弦腹板、后大梁節(jié)點(diǎn)板與上橫梁底板之間的焊接間隙要求，同時(shí)也保證上橫梁之間的中心開(kāi)檔、平行度、垂直度和4個(gè)端口的水平。通過(guò)以上措施順利完成了拼裝焊接，實(shí)現(xiàn)前后大梁組件與門(mén)框的總裝。

7 鉸點(diǎn)聯(lián)系橫梁的內(nèi)部施焊

鉸點(diǎn)聯(lián)系橫梁制作時(shí)設(shè)定了特殊的倒裝配順序，根據(jù)受力類(lèi)型和施焊空間細(xì)化到每條焊縫的坡口形式、安裝順序和焊接方法，結(jié)合開(kāi)工藝孔的措施，在滿足內(nèi)部雙面CJP焊縫的條件下，承軌梁腹板采用單面焊雙面成型的焊接方法?，F(xiàn)場(chǎng)嚴(yán)格按工藝施工，焊縫符合設(shè)計(jì)要求。鉸點(diǎn)主板連同聯(lián)系橫梁箱體單獨(dú)制作，桁架主體成型后與之對(duì)接，相比傳統(tǒng)大梁鉸點(diǎn)與結(jié)構(gòu)件一起拼裝焊接的方法，首創(chuàng)了鉸點(diǎn)整體后裝的施工工藝。以前大梁鉸點(diǎn)橫梁為例，具體說(shuō)明施工工藝如下。

(1)鉸點(diǎn)聯(lián)系梁上下翼板與下弦對(duì)接端預(yù)留50 mm對(duì)接余量，承軌梁上平面預(yù)留10 mm厚度余量，端部下翼板折彎處預(yù)留200 mm余量；承軌梁上平面非軌道面銑平面，軌道安裝面留7 mm臺(tái)階，反面留3 mm臺(tái)階，端部下翼板用折彎?rùn)C(jī)折邊。

(2)上翼板(1)鋪設(shè)在水平胎架上并完成拼接，燒焊焊縫①后劃出十字中心線和中心隔板(2)、鉸點(diǎn)主板組件(3)、海陸側(cè)腹板(4)(5)的安裝位置線，下翼板暫不拼接，中間留出焊接空間(見(jiàn)圖9)。

圖9 鉸點(diǎn)聯(lián)系梁設(shè)計(jì)圖

(3)在上翼板上根據(jù)所劃的線裝配中心隔板和鉸點(diǎn)主板組件，保證與上翼板的垂直度，在藍(lán)圖焊縫區(qū)域點(diǎn)焊固定；裝配腹板(4)(5)，在藍(lán)圖焊縫區(qū)域點(diǎn)焊固定；吊垂線校核垂直度并檢測(cè)各構(gòu)件開(kāi)檔尺寸。

(4)按藍(lán)圖和相關(guān)WPS要求將隔板、腹板焊縫②③④⑤施焊到位，施焊順序?yàn)橄攘⒑?、后平焊?/p>

(5)裝配鉸點(diǎn)主板的斜加強(qiáng)板(6)，完成焊縫⑥，并做探傷檢測(cè)(見(jiàn)圖10)。

圖10 施焊鉸點(diǎn)組件斜加強(qiáng)板的焊縫

(6)裝配端部下翼板(7)，聯(lián)系梁翻身180°后施焊焊縫⑦；聯(lián)系梁翻身180°后裝配半塊隔板件(8)，并完成隔板與腹板的焊縫⑧，貼鋼襯墊對(duì)接中部下翼板(9)的焊縫⑨，箱體四面成型(見(jiàn)圖11)。

圖11 施焊箱體內(nèi)半塊隔板的焊縫

(7)在陸側(cè)腹板上開(kāi)工藝孔，將聯(lián)系梁翻身180°，利用所開(kāi)工藝孔施焊半塊隔板與下翼板的焊縫⑩；裝配外側(cè)的小車(chē)承軌梁腹板(10)，并在上翼板與其對(duì)筋位置安裝工裝，用于控制小車(chē)承軌梁腹板與上翼板的焊縫間隙，以達(dá)到全熔透焊縫要求；箱體內(nèi)焊縫施焊并探傷合格后，封堵工藝孔焊縫(見(jiàn)圖12)。

圖12 開(kāi)工藝孔完成隔板焊縫

8 結(jié)語(yǔ)

該施工工藝方案在鹽田桁架大梁岸橋上應(yīng)用后，保證了下弦焊后小車(chē)承軌梁的平整度、截面尺寸、直線度和扭曲度，承軌梁與小車(chē)軌道之間的貼合面間隙基本符合運(yùn)行要求，桁架成型準(zhǔn)確，小車(chē)重載全速運(yùn)行正常。相比前期桁架大梁項(xiàng)目，節(jié)約承軌梁灌注環(huán)氧樹(shù)脂的成本近百萬(wàn)元，不僅取得了很好的經(jīng)濟(jì)效益，還首創(chuàng)了高疲勞等級(jí)桁架大梁無(wú)碼化工法、復(fù)雜箱體焊接和桁架大梁與上橫梁箱體對(duì)接等一系列工藝創(chuàng)新，在桁架制造領(lǐng)域值得推廣。