摘要：结合梁纵梁工字梁腹板与上下翼板T型对接及角焊缝组合焊缝焊后易产生较大不对称焊接变形。通过分析，找出了坡口开设不合理是焊接变形过大的主要原因，并提出相应改进措施。
0 概况
西固黄河大桥主纵梁采用2500x1000x36（80）mm工字型截面。腹板与上下翼缘板要求熔透，腹板板厚28mm，焊接量大，如何控制变形是制造的关键。焊接规范参数通过试验确定，一般不会是造成焊接变形过大的因素。本文主要探讨分析主纵梁工字钢焊接变形的两个主要原因：焊接顺序和焊接破口。
1 纵梁焊接工艺
1.1 焊接方法
纵梁工字成型焊缝采用采用药芯焊丝CO2气体保护焊打底，埋弧自动焊填充盖面，药芯焊丝为E501T-1LΦ1.2mm，埋弧焊丝为H08Mn2E Φ4.0mm，焊剂为SJ101q。
1.2 焊接顺序
纵梁工字型钢的断面为对称结构，焊前先将翼板与腹板点固成工字形截面，焊接时再按照图1顺序焊接。1、2侧为大坡口侧，3、4为清根侧。
图1 焊接顺序 图2 焊接坡口
1.3 焊接坡口
腹板开设如图2所示坡口，考虑到满足熔透要求反面需清根后再焊接，所以坡口为不对称坡口，先焊接大坡口侧，后焊接小坡口侧。
1.4 焊接规范
焊接规范经试验验证，热输入符合要求，焊接试板检验均为合格，变形较小，且满足生产要求的效率。
2 问题
理想状态下焊接完成后纵梁工字梁翼缘板应仅有关于腹板对称的较小的角变形，实际焊完后则如图3所示。从示意图及现场照片可以明显看出，焊接完成后，翼板与腹板垂直度出现较大偏差，且该偏差相对于腹板左右不对称，即翼板较明显的偏向一侧。较大的焊接变形，后期矫正处理工作量大，浪费工时和资源，且难以保证质量。
图3 实际焊接变形示意图及现场
3 问题分析
3.1 主要影响因素
焊接变形是由于焊接时不均匀加热引起的。然而，不均匀加热是其固有特点，因此焊接变形不可避免。但焊接变形可通过合理的焊接顺序、适当的坡口，控制在较小的范围，最终产品经过稍微矫正或不矫正即可满足要求。即在同样的焊接参数下，焊接顺序和坡口是影响焊接变形的主要因素。
下面从焊接顺序和坡口开设两方面分析纵梁出现较大焊接变形的原因。
3.2 焊接顺序
当焊缝偏心时，所引起的收缩力Ff也是偏心的，故收缩力不仅使构件变短，还使构件变弯曲。弯矩为收缩力与偏心距e之乘积，即:
M=Ffe
弯矩M的作用使构件终端横截面发生转角Ψ和挠度f，计算式分别如下：
Ψ=FfeL/EI
f= FfeL?/8EI
L为构件长，I为构件几何惯性矩，E为弹性模量。由上两式可知：挠曲变形与收缩力和偏心距成正比，与构件刚度成反比，当焊缝对称或接近于中性轴时，挠曲变形就很小；反之，挠曲变形就很大。
图4 两种焊接顺序中性轴示意
工字梁焊缝相对于整个构件的中性轴对称，但在工字梁成型过程中不是一直对称的。随着组焊过程进行，构件的中性轴位置和截面惯性矩是跟着结构变化而变化的。因此 通过优化组焊顺序，就能调整变形。
如果按照图4左侧的焊接顺序，则在焊接过程中，中性轴始终关于上下翼板对称的，此时翼板与腹板焊缝偏心距是一致的，按照上面的模型考虑，其挠曲变形相当，但是方向完全相反，正好互相抵消，因此这样的焊接顺序是合理的。若按照右侧的焊接顺序，则焊接下翼板与腹板焊缝时，中性轴靠近下翼板，其偏心距较小；焊接上翼板与腹板焊缝时，中性轴又是关于上下翼板对称的，偏心距较上次大，两次变形虽方向相反，但e工/I工＜eT/IT，即f工＜fT，也即先焊接的下翼板与腹板焊缝变形大于后焊接上翼板与腹板焊缝变形，不能互相抵消，焊后存在较大残余焊接变形。
通过上面的分析可知，本焊接工艺中焊接顺序是合理的，不是造成焊接变形过大的原因。
3.3 焊接坡口
《埋弧焊的推荐坡口》GB/T985.2-2008中带钝边的K型坡口要求：
本工艺中，坡口间隙和角度均符合规范规定。具体考虑到要进行CO2保护焊打底焊接，为减小清根量，所以钝边取为2mm，而非标准的4mm≤c≤10mm。因为要清根焊透，所以坡口为不对称双V坡口才可保证清根后两侧坡口深度基本一致。因此最终确定坡口如图4.
理论上该坡口可以很好的控制变形，然而实际焊接过程中发现，在焊接大坡口侧的时候，CO2保护焊焊丝难以送达坡口最深处，总是有4~6mm完全焊不到，当大坡口侧焊完两三道换到清根侧清根后，为保证焊透，清根侧的坡口深度会大于原大坡口侧坡口深度。最终的结果就是翼板会偏向清根侧，留下较大残余变形。该分析结果与实际观察到的焊接变形一致。因此，本焊接工艺中坡口设置不合理是导致工字梁焊接变形的主要原因。
4 应对措施
通过以上的分析，找到了本工艺导致焊接变形不合理的原因为坡口开设不正确。结合焊接中的实际情况，适当增加大小坡口差值。将小坡口侧改为8mm，大坡口侧为18mm，钝边2mm不变，该坡口基本可保证，在大坡口侧有4~6mm完全焊不到的情况下，小坡口侧清根后与大坡口侧坡口深度相当。因此两侧的焊接量也相当，在反复交替焊接过程中，两侧变形互相抑制，最终仅会存在翼板关于腹板对称的较小角变形。
在其他焊接条件未改变的前提下，焊后焊接变形得到有效控制。其变形趋于合理，即翼板存在关于腹板对称的微小角变形。这是焊接工字梁无法消除的焊接变形，且也较容易火调：沿着翼板变形对称轴火烤即可。调整后基本不存在变形。
5 总结
1、在确定的焊接规范参数下，焊接顺序和坡口是影响焊接变形最主要的两个因素。
2、在安排焊接顺序时尽可能考虑到构件的对称性，使对称的焊缝焊接变形互相抵消。
3、熔透的对接焊缝或T型对接焊缝要考虑到清根的影响，坡口开为不对称的。
4、规范上的推荐坡口只是一个粗略的推荐，不能完全照搬照套，最终的坡口要根据实际的焊接工艺试验和现场条件确定。
参考文献:
[1]田锡唐.焊接结构[M].北京：机械工业出版社，1997.
[2]工程机械学会焊接学会.焊接手册：第3卷焊接结构[M].2版. 北京：机械工业出版社，1997.
[3]陈祝年.焊接工程师手册.2009
[4]陈伯蠡.焊接工程欠缺分析与对策. 北京：机械工业出版社，1997.
论文作者:王浪,陈东方
论文发表刊物:《防护工程》2018年第3期
论文发表时间:2018/6/8
标签：腹板论文; 顺序论文; 构件论文; 对称论文; 偏心论文; 工字论文; 焊丝论文; 《防护工程》2018年第3期论文;