钢箱梁制造关键技术培训

钢箱梁制造关键技术研究培训课件1.前言2.钢箱梁焊接质量及焊接变形控制技术3.横隔板单元件制作与整体组拼控制技术4.钢箱梁制造其它关键技术5.结论目录1.前言

随着中国交通事业的发展，桥梁设计等级逐步提高，桥梁的跨径也大幅增大。钢结构具有强度高、塑性和韧性好、重量轻、材质均匀、施工周期短等优点，在桥梁中被广泛使用。而扁平钢箱梁因其具有工厂化制造、较强经济性、抗风能力强*等特点被大跨径悬索桥作为加劲梁的首选形式，因此其关键制造技术值得总结和探讨。

以黄埔大桥悬索桥为例对钢箱梁制造关键技术进行初步研究。目前国内悬索桥钢箱梁构件均采用低合金高强度结构钢Q345C，钢箱梁为全焊结构，结构复杂，熔透焊缝较多，从而导致焊接难度和焊后变形及焊接残余应力较大，使箱体制造难度加大。同时，钢箱梁隔板采取了整体式隔板也给制造也带来了一定的难度。

实践表明：钢箱梁制造关键技术主要在于焊接质量、焊接变形及钢箱梁总拼控制。

黄埔大桥悬索桥钢箱梁断面图

2.钢箱梁焊接质量及焊接变形控制技术2.1主要接头类型2.2主要焊缝焊接质量和变形控制技术

2.1主要接头类型悬索桥钢箱梁主要焊接接头形式有对接接头和角接接头两种，即:U形肋与顶、底板的坡口角接，横隔板的立位对接,横隔板与顶板接板的横位对接，顶、底板的对接焊缝，斜顶板与人行道面板、斜顶板与顶板自然坡口熔透角焊缝等。2.2主要焊缝焊接质量和变形控制技术

2.2.1U形肋与顶板坡口角接焊缝的焊接和变形控制2.2.2顶、底板的对接焊接与收缩变形控制2.2.3横隔板对接焊缝的焊接与变形控制2.2.4顶板接板与横隔板横位对接控制2.2.5锚箱的焊接与变形控制2.2.1U形肋与顶板坡口角接焊缝的焊接和变形控制

设计要求：悬索桥钢箱梁U形肋板厚8mm，要求焊缝有效厚度≥0.8倍的U形加劲肋的板厚，且不允许烧穿，并对焊缝进行磁粉探伤检测。

U肋与面板角焊缝焊接设计图

控制要点一：为保证焊缝的熔透率和减小焊接变形，通过焊接工艺评定试验，确定最优坡口形式、焊接参数，采用线能量较小药芯焊丝（φ1.6）CO2气体保护自动焊进行焊接。接头坡口形式、焊接方法、代表接头及工艺参数表试验项目坡口尺寸代表接头焊接材料熔敷简图焊接参数焊道电流(A)电压(V)焊速(m/h)

道间温度气流量δ8+δ16横位坡口角接顶板板块U肋焊接E71T-1φ1.61380321820

控制要点二：为控制板单元件在焊接过程中的横向收缩变形和保证U肋对焊接位置的要求，通过试验设计焊接反变形胎架，然后根据单元件变形趋势，总结变形规律，确定反变形量，使板单元在预拱状态下船位焊接，同时对顶、底板的自由边进行刚性固定，减小波浪变形。

U肋与面板船位焊接

面板单元预拱状态下焊接

控制要点三：板单元加工完成后，采用冷矫正或火焰矫正的方法，矫正单元件翘曲变形，重点矫正边缘的波浪变形，从而满足对接时平面度的要求。顶板单元件的纵向收缩变形采用3000KN液压矫正机进行冷压矫正。

板单元件在液压矫正机上矫正

控制要点四：整个板块采用同方向施焊，并采用合适的焊枪角度及焊丝送进位置。合理的焊接顺序可以减少不必要的焊接变形，能保证焊接质量和几何精度。合适的焊枪角度和焊丝位置可以保证坡口根部熔合良好及焊缝表面成型质量。

U肋与面板焊接顺序

U肋与面板角焊缝焊丝位置

检测结果表明：采用上述工艺施焊的焊缝，焊缝有效厚度达到0.8-0.85倍U肋板厚，力学性能、抗弯性能、硬度等指标满足设计要求，接头断面无裂纹、气孔等缺陷。

δ8+δ16横位坡口角接接头宏观金相照片

U肋与面板角焊缝的磁粉探伤

2.2.2顶、底板的对接焊接与收缩变形控制

根据钢箱梁结构特点，结合国内钢材的供货现状及火车运输界限，将每一节标准梁段分为47个块件，其中包括顶板板块14块，底板板块11块，斜顶板板块4块，斜底板板块4块，横隔板为12块，人行道单元2块。

钢箱梁板单元划分图

序号名称全桥数量（块）最大单重（t）1顶板单元12186.62斜顶板单元1745.53底板单元9574.44斜底板单元3483.65直腹板单元43.46横隔板单元10478.37人行道1743.88锚箱合件1702.5

全桥单元数量一览表

顶、底板的对接采用实心焊丝CO2气体保护焊打底，埋弧自动焊填充盖面的单面焊双面成型技术。

组装马板

CO2打底焊

埋弧自动焊盖面控制要点一：为保证焊缝质量，通过焊接工艺评定试验，确定最优坡口形式、焊接参数和焊接材料。接头名称坡口尺寸代表接头焊接材料熔敷简图焊接参数焊道电流(A)电压(V)焊速(m/h)

道间温度（℃）气流量(l/min)δ12+δ12平位对接底板、斜底板板块（单元）对接ER50-6(φ1.2)116025＜20020225030H10Mn2(φ4)SJ1013～46402921.5δ16+δ16平位对接顶板、底板板块(单元)对接ER50-6(φ1.2)118026＜20020221028H10Mn2φ5SJ101其余6502821.5接头坡口形式、焊接方法、代表接头及工艺参数表控制要点二：通过对对接焊接收缩量进行测量跟踪、准确预留焊接收缩量，制作焊前板单元定位样板、焊后检查样板，充分保证焊缝两侧相邻U形肋的中心距，且预置反变形，以保证焊后板块的尺寸精度和平面度。

两拼检查样板

面板双拼胎架控制要点三：对单元件因运输或吊装等原因产生的变形进行矫正，后在单元合件拼焊胎架上，以纵横基准线为准，将两单元就位，确认对线无误、焊接间隙合理后，用卡兰将周边卡固。

板单元件划线

板单元对接前预拱示意图

控制要点四：由于拼接时，坡口间隙不匀易引起焊缝根部熔合不良，因此针对过大或过小的焊接间隙采用向前推或拉的运条方式及按线配切坡口来解决问题。按线切割板单元件对接坡口

CO2气体保护焊打底

控制要点五：为避免由于打底焊道较薄，焊缝受热后易下坠而导致反面余高过高等外观不良等问题，要求焊接完第一道埋弧自动焊后再去除衬垫，让受热下坠的焊缝金属有所依托，同时，为减小焊接变形，马板应在打底焊道焊接完成后等温度降低后再拆除。粘贴陶瓷衬垫

焊接引弧试板

检测结果表明：采用上述工艺施焊的焊缝，焊缝力学性能、抗弯性能、硬度等指标满足设计要求，焊缝外观质量良好，对接质量合格。序号项目允许偏差(mm)检查方法和频率数据分析合格率（%）最大值最小值平均值1长度±1.5卷尺检查+1.5-1.5+0.091002宽度±1卷尺检查+1-1-0.461003板边直线度≤2拉线、钢板尺200.761004板边平面度1/1000钢板尺、平尺100.51005U肋中心距端部±1卷尺检查+1-1+0.211006横向平面度≤2钢板尺、平尺200.921007纵向平面度≤4/4m范围钢板尺、平尺3.501.71008对角线≤3卷尺检查301.31009四角不平度≤5专用平台301.510010焊缝外观质量焊角尺寸合格；无气孔、咬边；焊波合格。11焊缝探伤检查合格对拼动画2.2.3横隔板对接焊缝的焊接与变形控制目前国内钢箱梁横隔板形式主要有搭接、整体对接和整体横隔板三种，由于考虑到搭接会导致偏心，整体横隔板会造成仰焊，影响桥面板的耐久性，对整体受力性能不利，因此，大跨径悬索桥钢箱梁横隔板基本上采用上下两块或三块板组成的对接式横隔板，上下或上中下板块熔透对接，上板与顶板单元一起组装，板块间采用熔透对接方式相连。控制要点：由于悬索桥横隔板有几种规格，对于较薄横隔板的立位焊接，采用单面焊接双面成型，是一种可以保证焊接质量的方案，但当板厚较大时，改双面坡口可以减小焊接填充量，降低劳动强度，并减小了焊接收缩和焊接变形量。

钢箱梁不同类型横隔板

箱梁顶板平面图

控制要点：整体对接式横隔板在长度方向采用立位对接，宽度方向采用仰横位对接。立位和仰横位对接横隔板板厚为12mm的，采用单面焊双面成型，背面贴圆弧槽陶质衬垫。对于特殊梁段部分板厚为16mm的，考虑到单面焊接填充量大，焊接变形严重，所以立位对接采用双面V形坡口进行焊接。横位对接16mm厚板采用不对称K型坡口，先焊接大坡口侧，再反面清根焊接小坡口侧，保证熔透。焊缝接头坡口形式、焊接方法、代表接头及工艺参数表接头名称坡口尺寸代表接头焊接材料熔敷简图焊接参数焊道电流(A)电压(V)道间温度（℃）备注δ16+δ16立位对接横隔板立位对接ER50-6φ1.21-412520＜200气流量(l/min)20δ16+δ16横位对接HG2横位对接E71T-1φ1.21-622026＜200气流量(l/min)20，焊第4道前炭弧气刨清根δ12+δ12横位对接横隔板横位对接ER50-6φ1.2112020＜200气流量(l/min)202-614022δ12+δ12立位对接横隔板立位对接ER50-6φ1.211502025气流量(l/min)2021301960314019100横隔板组装：横隔板是箱梁组装的内胎，它的精度直接影响着箱梁的断面尺寸精度。其由钢板、水平加劲板、竖向加劲板、人孔及管线孔加强圈组成。横隔板组装需保证平面度，板肋组焊采用线能量小的C02气体保护焊，焊后火焰调平。横隔板板肋组装

横隔板调平

横隔板组焊：从一端开始，依次按线组装横隔板，最后安装工艺隔板。组装过程中辅以定位夹具、顶拉工具控制隔板位置精度和垂直度等项点，使横隔板间距满足标准要求。先焊横隔板焊缝，再焊其它焊缝。

横隔板组拼

横隔板焊前调整

横隔板对接焊缝严格按照已评定的焊接工艺参数进行，焊接间隙保证在6mm左右，为保证背面成型质量，陶瓷衬垫必须烘干、贴紧，焊接完成后及时清渣，清除飞溅。横隔板立位对接焊

焊缝修整、打磨

检测结果表明：采用上述工艺施焊的焊缝，焊缝力学性能、抗弯性能、硬度等指标满足设计要求，焊缝外观质量良好，对接质量合格。焊缝的级别、检验方法及检验范围焊缝部位焊缝级别探伤方法探伤比例探伤部位横隔板对接焊缝Ⅱ级超声波100％两端各1米，≤2米全探2.2.4顶板接板与横隔板横位对接控制顶板接板与横隔板之间为融透焊缝，要求全部超声波探伤。此焊缝焊接形式困难，焊接量大，焊接变形大，对顶板高程影响大，为控制好顶板接板与横隔板横位对接必须采取相关控制措施。横隔板与顶板接板贴陶瓷衬垫

横隔板与顶板接板焊前马固

控制要点一：接板与横隔板粗对位。接板与顶板先进行整体组装，保证接板之间的距离与接板垂直度满足要求。在横隔板垂直度满足要求的前提下，在隔板上部两边点焊定位马板，使用插入式定位方法对接板纵向进行粗略定位。顶板与接板预先组装

横隔板垂直度调整

控制要点二：保证接板与横隔板组装间隙。接板与隔板之间组装间隙主要以顶板高程为准，并且兼顾接板与顶板间隙及焊接变形为原则进行精确定位。然后用马板将接板与隔板马固，进行焊接。定位托板、定位件示意

通过定位件调整顶板接板与横隔板组装间隙

控制要点三：接板与横隔板焊接变形控制。

1）焊接工艺参数见2.2.3章节有关内容；

2）对接间隙控制，使其控制在6～8mm，对不满足要求的接板进行局部配切，以便于控制焊接变形及外观成型；横隔板单元配切坡口

顶板接板与横隔板组装间隙

控制要点四：接板嵌补段组装。接板嵌补段根据实际测量尺寸进行配切，用马板对接板进行精确定位后焊接；为减少接板焊接变形对隔板整体带来的影响，控制焊接顺序为：嵌补段先与接板两边焊接，再与顶板进行焊接，最后与隔板整体焊接。顶板接板嵌补段组装

2.2.5锚箱的焊接与变形控制

锚箱直接承受和传递索力，是钢箱梁的关键部件，其制作精度和焊缝质量要求较高，全熔透焊缝较为集中，会产生较大的焊接变形。锚箱单元由承力板、部分斜顶板和耳板等组成。耳板和承力板的焊缝为直接传力焊缝，是该桥的关键承力区，因此，耳板在箱体上的位置精度及耳板与承力板的焊接质量十分重要。为了便于翻身、保证熔透焊缝焊接质量，将锚箱单元所包含的斜顶板单元分三段制造，锚箱单元沿吊点中心向两侧各取2m，构成4m长的锚箱单元；两侧的其余部位，按斜顶板单元制作。

锚箱翻身焊接

锚箱焊接

锚箱制作工艺流程控制要点一：锚箱耳板、补强板、承力板、吊耳加劲板在板材预处理后用数控切割机精密切割下料。

钢板下料前滚平

钢板预处理

数控切割下料

控制要点二：按焊接工艺评定试验确定焊接方法、焊接坡口等参数，选择多道线能量小的焊接工艺，减小焊缝应力叠加，避免层状撕裂。

焊缝接头坡口形式、焊接方法、代表接头及工艺参数表接头名称坡口尺寸代表接头焊接材料熔敷简图焊接参数焊道电流(A)电压(V)

道间温度（℃）备注δ30+δ12平位熔透角接承力板与斜顶板、斜底板熔透角焊缝E71T-1φ1.2124028＜200气流量(l/min)20，反面焊第17道前清根其余28032其余23028δ30+δ16平位熔透角接锚腹板与承力板熔透角焊缝E71T-1φ1.21-722028＜200气流量(l/min)20反面焊第7道前清根8-1024030δ30+δ40横位角接耳板加劲与耳板坡口角焊缝E71T-1φ1.21-1427033≥50＜200预热50℃，气流量(l/min)20控制要点三：用铣床加工承力板豁口的焊接坡口，以耳板底边和耳板板厚中心线为基准，在镗床上加工销孔及耳板补强板，确保销孔的孔径公差和垂直度公差。耳板组焊补强板后，采用锤击工艺消除焊接应力。

数控铣床加工焊接坡口

镗床加工销孔

控制要点四：在胎型上组装锚箱合件，以控制组装精度和减少焊接变形。

锚箱胎型

锚箱组拼

控制要点五：锚箱结构比较复杂，由于其熔透焊缝较多，焊接难度较大；锚箱合件采取90－180度翻身，工艺上尽可能采用平位焊接，锚箱的焊接顺序为：(1)焊接耳板和补强板焊缝：用CO2半自动焊焊接，焊丝为E71T-1，φ1.2。(2)焊接耳板与承力板焊缝：由于该处焊缝为主要受力焊缝，焊接质量要求高，且承力板板厚较大（30mm），焊接变形较大。为了保证焊接质量，采用双面K形对称坡口焊缝，第一面坡口侧焊完两道后，焊接第二面焊缝，再焊第一面剩余部分焊缝。用CO2半自动焊焊接，焊丝为E71T-1，φ1.2的药芯焊丝。焊接时对称施焊，以减小焊接变形。(3)焊接承力板和斜顶板焊缝：采用K形坡口，CO2半自动焊焊接，焊丝为E71T-1，φ1.2的药芯焊丝。该焊缝在锚箱合件上，采取90－180度翻身，尽可能采用平角位焊接。锚箱翻身焊接

锚箱承力板焊接

控制要点六：锚箱定位组焊锚箱结构复杂，空间狭小，焊缝密集。锚箱采用先加工锚箱合件、后总拼现场组装的方法，在斜顶板上开焊接手孔，确保各焊缝施焊的宽松条件，且有利于精度的控制。具体工艺如下：1用胎架将锚箱承力板、锚箱腹板、部分斜顶板、吊耳组焊成锚箱合件，矫正后划出纵横组装线。2待钢箱梁组装至斜底板前，将锚箱合件以边测量塔和斜底板上的横基线为准进行组装，将所有焊缝施焊完毕，并对斜底板与承力板、腹板、横隔板的熔透角焊缝进行超声波探伤。3组焊箱外劲板及先前断开的板条纵肋嵌补段，采用手工电弧焊，E5015φ4焊条进行焊接。锚箱位置开焊接手孔

锚箱单元组装

锚箱与斜顶板内部焊接检测结果表明：采用上述工艺施焊的焊缝，焊缝力学性能、抗弯性能、硬度等指标满足设计要求，几何尺寸满足制造工艺要求，焊缝外观质量良好，焊接质量合格。δ30+δ12平位熔透角接接头断面金相照片

δ30+δ40横位角接接头断面金相照片

锚箱组拼动画3.横隔板单元件制作与整体组拼控制技术3.1横隔板单元件制作难点控制3.2横隔板整体组拼难点控制横隔板是箱形梁组装的内胎，它的周边加工精度和U型肋槽口精度的控制是确保钢箱梁几何精度，顺利组装的关键。大跨径悬索桥钢箱梁宽度大，板单元间纵向对接缝较多，焊接变形对钢箱梁宽度影响较大。因此必须对隔板单元件制作和组拼进行控制。3.1横隔板单元件制作难点控制悬索桥钢箱梁隔板材质主要为δ10、12、16mmQ345C钢板，焊接收缩对隔板长度方向和平面度影响较大。如何保证隔板焊接完成后，焊接变形对单元件尺寸和U肋槽口尺寸以及隔板平面度的影响是隔板生产的最大难点。

控制要点一：对钢箱梁整体横隔板进行合理的分块。根据现场制造要求，将横隔板划分为三个单元件，中隔板、边隔板和角隔板。横隔板划分单元前，先在钢板上划纵横基线、托板位置线及机加工刨线。

横隔板分块示意图

控制要点二：单元件全部采用数控下料，先数控精切人孔、管线孔，最后切割周边，保证其制造精度。对单元件长度方向预留较为合适的工艺量并均匀分布于各个U肋槽口，保证槽口尺寸。横隔板数控下料

控制要点三：下料后对隔板进行预处理释放应力，尽量减少应力集中，有助于对接焊的应力变形。横隔板辊板消除下料残余应力

滚板设备

控制要点四：对隔板板肋焊接顺序进行调整：中间→两边→四周。在板肋焊接前，先对线定位组装。横隔板板肋定位组装

焊横隔板中间板肋焊横隔板周边板肋控制要点五：横隔板单元件焊接完成后，采用控制火焰温度和密集形梅花点进行火焰调直，保证单元件平面度。横隔板火焰调平横隔板平整度检查3.2横隔板整体组拼难点控制3.2.1横隔板U肋槽口与底板U肋吻合控制3.2.2横隔板整体组拼难点控制3.2.1横隔板U肋槽口与底板U肋吻合控制如何保证隔板U肋槽口与底板U肋相吻合是隔板精确组装的难点之一。黄埔大桥悬索桥钢箱梁底板总宽28300mm，板厚为δ10mm，有10条纵向对接缝，焊接收缩量大。为使横隔板U肋槽口能与底板U肋吻合，保证整体隔板组装顺利，对板单元对接焊缝，预留较为合适的焊接收缩量，确保底板接完后，所有U形肋间距尺寸在预想范围内；另外，给隔板U形肋槽口每边预留了2mm工艺量，以解决U形肋间距误差对隔板组装的影响，而且对隔板与U形肋的焊缝，提出了相应的要求。横隔板与底板U肋插入式构造横隔板与底板U肋的焊缝连接控制要点一：底板定位在专用总拼胎架上以纵横基线为准，用经纬仪、水准仪对底板基线、高程进行精确定位后，用弹性马板马固，进行施焊以满足底板要求。为控制及减少焊接变形，角焊缝焊接顺序由中间向两边进行对称施焊。底板定位底板焊接控制要点二：K7立位贴角焊，预先将此处的横隔板局部先加工7×7mm的倒角，待各板件精确定位后，从下至上采取连续焊过倒角的方式，将此处填实。过焊孔处不得熄弧、引弧。焊接设计要求现场焊接3.2.2横隔板整体组拼及焊接难点控制为保证横隔板整体组拼顺利，主要采取了以下措施：1）隔板定位组装顺序为：中隔板→边隔板→角隔板；2）定位：隔板定位后用丝杠支撑，调整隔板垂直度；3）焊接：先对隔板进行立位对接，使得隔板在横向能自由收缩；横隔板立位对接为45度坡口的单面焊双面成型焊缝，并要求全部探伤；4）修整：对隔板整体平面度、垂直度、高程进行修整。修正完成后组装隔板角点加劲，及立位对接处隔板加劲嵌补段。横隔板从中间往两边组装隔板垂直度检查隔板对接间隙检查隔板高程控制角隔板焊接质量检查4.其它关键技术4.1钢箱梁单元件消除残余应力的特殊方法4.2钢箱梁横隔板不同形式焊接方法4.3钢箱梁的线性控制办法4.1钢箱梁单元件消除残余应力的特殊方法4.1.1滚板机处理4.1.2振动时效处理采用滚板机处理板件，不仅能保证钢板平面度，更能消除钢板轧制、下料后残余应力，能更好控制焊接变形。如在面板单元焊接U肋前，横隔板单元数控下料后对板单元进行再次辊平，焊接变形明显减小。误区：仅在钢板下料前偶尔进行处理，或为节约设备、电力、人力资金投入，减少板单元下料后的处理。滚板机处理板单元

采用工厂成熟而先进的振动时效（冷时效）工艺，消除锚箱熔透角焊缝、阻尼器支座焊缝的纵向应力峰值，均衡焊接内应力，保证加工精度，稳定加工尺寸。振动实效仪处理耳板销孔焊缝

超声波振动实效仪处理焊缝

4.2钢箱梁横隔板不同形式的比较4.2.1搭接式横隔板4.2.2整体式横隔板4.2.3分块式整体横隔板搭接式横隔板将隔板分成三部分，上下连接板及搭接板。由于在钢箱梁总拼前可以将上下连接板分别与顶、底板焊接，总拼时再焊搭接板，焊缝质量容易控制，避免了仰焊。但搭接式横隔板存在受力偏心的问题，对钢箱梁总体受力不利。搭接式横隔板典型设计

整体式横隔板不存在连接板和搭接板，受力明确，由于减少了横位对接焊缝，残余变形较小，工装控制简单。但整体式横隔板导致了横隔板与面板U肋焊缝之间须仰焊，同时，对接困难会导致大量配切工作，总体质量难以控制，面板单元耐久性降低。整体式横隔板典型设计

分块式整体横隔板分成2-3部分，顶板连接板、底板连接板和横隔板。分块式整体横隔板避免了受力偏心，避免了仰焊，采取了搭接式和整体式的优点。但由于横隔板横位对接为熔透焊缝，焊接应力较大，对顶板的高程有一定影响。分块式横隔板典型设计

4.3钢箱梁的线性控制办法确定钢箱梁制造线形即确定钢箱梁梁长及相邻梁段上、下缘缝隙差值，这关系到恒载作用下钢箱梁的应力及吊装过程的施工难易程度，通常设计的全焊钢箱梁制造线形主要有以下两种：①制造线形为成桥线形，这种方法的优点是箱梁在全部恒载作用下梁内无应力，但是在一期恒载作用下或工地焊接时，箱梁内上缘受拉，需要特制的联接匹配件来进行匹配焊接，制造及工地焊接难度较大；②制造线形为箱梁合拢时的线形，即一期恒载作用下线形，这种方法的优点是梁段在吊装和焊接过程中的内力最小，施工较为简单，缺点是在成