CN115519216B - 一种开口式非对称截面大型钢塔块体焊接变形控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种开口式非对称截面大型钢塔块体焊接变形控制方法，涉及固定建筑物中的桥梁建造技术领域，包括以下步骤：S1：将钢塔块体分成多块拼接单元，分为水平壁板单元、斜向壁板单元、竖向壁板单元、边隔板单元和中隔板单元；S2：将所有拼接单元的焊接坡口设计为非对称X型焊接坡口；S3：先将3块水平壁板单元焊接成三拼单元；S4：进行块体整体拼装；S5：由块体的中部往两侧依次分中、对称施焊。本发明解决了开口式非对称截面的大型钢塔块体制作精度低的技术问题。

Description

一种开口式非对称截面大型钢塔块体焊接变形控制方法

技术领域

本发明涉及固定建筑物中的桥梁建造技术领域，尤其涉及一种开口式非对称截面大型钢塔块体焊接变形控制方法。

背景技术

近年来，随着交通业日新月异的发展，桥梁建造呈现逐步加速的模式，特别是跨江、跨海等大跨度钢桥规划及建设规模加大，钢桥梁向大跨度发展的速度极速加快，高速铁路钢桥制造需适应现代钢桥重载、高速、大跨度、大节段、安全性和耐久性等多方面的发展要求，由于钢结构索塔具有自重轻、抗震性能好、易于造型、便于工厂化制作等优点，越来越受到桥梁建设者的青睐。

常泰长江大桥主塔采用“钢-混”组合结构空间钻石形桥塔，主塔塔顶高程362m，上塔柱钢塔外轮廓为八边形，截面尺寸13m×13m～16m×16m，受桥位架设吊机起重能力限制，需将各塔段横向分为3个块体进行分别制造、发运及吊装。其中两侧边块体为开口式非对称大截面全焊结构设计、整体刚度较小，且其壁板间均为厚板(52～60mm)熔透焊接，并根据块体长度不同分别布置有6～8道空腹式横隔板，焊缝呈非对称分布且较为密集、整体焊接热输入量大。而边块体桥位吊装后既要施焊块体间纵向对接焊缝，又要完成节段间横向对接焊缝的焊接，其箱口尺寸精度要求极高，因此控制开口式非对称截面大型钢塔块体焊接变形、保证其双向接口尺寸匹配组装精度是钢结构索塔制造中的关键技术，也成为亟需解决的重大难题。

发明内容

本发明的目的是提供一种开口式非对称截面大型钢塔块体焊接变形控制方法，解决了现有技术中开口式非对称截面的大型钢塔块体制作精度低的技术问题。

本申请实施例公开了一种开口式非对称截面大型钢塔块体焊接变形控制方法，包括以下步骤：

S1：将钢塔块体分成多块拼接单元，分为水平壁板单元、斜向壁板单元、竖向壁板单元、边隔板单元和中隔板单元；

S2：将所有所述拼接单元的焊接坡口设计为非对称X型焊接坡口；

S3：先将3块水平壁板单元焊接成三拼单元；

S4：进行块体整体拼装，具体步骤如下：

S401：所述三拼单元放置在平位胎架上，并以所述三拼单元的横基线为基准组装定位所述中隔板单元；

S402：将所述边隔板单元的辅助基线对齐所述斜向壁板单元上的纵基线，同时以所述三拼单元的横基线为基准作隔板位置线定位组装所述边隔板单元，形成边隔板块体；

S403：以所述边隔板单元为内胎，以所述三拼单元的底边对齐所述斜向壁板单元的底边，在所述三拼单元两侧组装有所述边隔板块体；

S404：以所述边隔板单元为内胎，将所述竖向壁板单元上的纵基线与所述边隔板单元的竖基线对齐，并以所述竖向壁板单元的底边对齐所述斜向壁板的底边，组装所述竖向壁板单元，在所述边隔板单元和中隔板单元上设置有支撑工装；

S5：首先由所述块体的中部往两侧依次分中、对称施焊中隔板单元、边隔板单元与所述三拼单元间平角位及立位焊缝；然后同向依次对称施焊三拼单元、竖向壁板单元与斜向壁板单元间熔透角焊缝；最后由所述块体中间往两侧依次完成中隔板单元、边隔板单元之间立位对接焊缝的焊接。

本申请实施例将大型钢塔块体分成多个部分，分别进行组装，便于保证后续的装配和焊接精度。

在上述技术方案的基础上，本申请实施例还可以做如下改进：

进一步地，所述步骤S1中的所述水平壁板单元、斜向壁板单元和竖向壁板单元均分别由壁板和多根壁板加强筋组成，所述壁板加强筋焊接在所述壁板上；

所述步骤S1中的隔板单元和中隔板单元均分别由隔板、多根隔板加强筋和加强圈组成，所述隔板的底部开设有拼装槽，所述拼装槽与所述壁板加强筋相对应，所述隔板加强筋间隔焊接在所述隔板上，且所述隔板加强筋上焊接有加强圈，采用本步的有益效果将各个单元分别焊接，便于后续的焊接组装，从而提高后续的精度。

进一步地，所述步骤S1中，所述壁板和壁板加强筋的具体焊接方法如下：采用的是小线能量的富氩气体保护焊方法，进行船位焊接，焊接时按照交替施焊原则避免集中受热,且壁板加强筋两侧焊接方向保持一致；

所述隔板与隔板加强筋、加强圈的具体焊接方法如下：施焊前，将隔板四周进行刚性固定，采取对称、分散、同方向的原则进行焊接，控制焊接变形，采用本步的有益效果是通过具体的焊接方式，能够保证焊接质量的同时，提高焊接精度。

进一步地，所述步骤S2中的三拼单元中的水平壁板单元之间的纵向对接焊缝的非对称X型焊接坡口的深坡口侧角度为50-55°，浅坡口侧角度为65-70°；

所述斜向壁板单元与三拼单元、竖向壁板单元间的熔透角焊缝非对称X型焊接坡口的深、浅坡口侧角度均为45-50°，采用本步的有益效果是通过焊接坡口的调整，能够保证后续焊接的精度。

进一步地，所述步骤S2还包括以下步骤：在三拼单元、斜向壁板单元和竖向壁板单元外观检测及无损探伤合格后，采用焰切小车精切其两长边坡口，保证整体尺寸的同时，提高坡口尺寸精度。

进一步地，所述步骤S3的具体步骤如下：

S301：以位于中部的所述水平壁板单元为基准，并在其两侧放置水平壁板单元以形成三拼单元；

S302：对所述水平壁板单元之间进行纵向对接焊接，焊接时先通过柔性电磁感应加热带将对接焊缝两侧加热到预热温度要求并设置反变形量，并选用气体保护焊和埋弧自动焊复合焊接方法，焊接过程中根据接头变形情况，多次翻身以交替施焊，保证所述水平壁板单元焊后的平面度。

进一步地，所述步骤S5中的三拼单元、竖向壁板单元与斜向壁板单元的焊接方法如下：焊前通过柔性电磁感应加热带将熔透角焊缝两侧加热至预热温度要求，并采用分段退焊及小线能量焊接方法进行焊接，施焊时先焊接内侧平位深坡口，当深坡口侧填满三分之一后，在外侧仰位碳弧气刨清根，并根据焊接过程中接头变形情况，焊缝两侧交替施焊，减小熔透角焊缝角变形。

进一步地，所述步骤S5中分段退焊时，将通长熔透角焊缝划分为800mm/段，分段焊接，并按照每段焊接方向与块体熔透角焊缝焊后整体加长方向相反的焊接原则，由块体底端至顶端依次完成各段熔透角焊缝的焊接。

本申请提供的一个或者多个技术方案，至少具有如下技术效果或者优点：

1.本申请将钢塔块体进行单元划分，并采用自动化焊接设备配合纵横向预变形胎架完成板单元的焊接，提高各单元焊后精度的同时，显著降低了钢塔块制作的整体焊接热输入量，有效保证钢塔块体双向接口尺寸匹配组装精度。

2.本申请焊接时采用的是2mm钝边的非对称X型焊接坡口，并采用板单元焊接完成后精切两长边坡口的制作工艺，减小板件组装间隙的同时，提高了开口式非对称截面大型钢塔块体箱口尺寸精度。

3.本申请增设支撑工装，提高钢塔块体整体刚性，减小了开口式非对称截面大型钢塔块体在拼焊、吊装过程中的变形。

4.本申请的整体拼装方案能够有效地保证了各板件组装间隙要求，提高了块体整体焊前精度。

5.本申请通过确定了整体施焊方向及顺序，并制定了壁板间熔透角焊缝分段退焊时，将通长熔透角焊缝划分为800mm/段，且按照每段焊接方向与块体熔透角焊缝焊后整体加长方向相反的焊接原则，有效地解决了控制开口式非对称截面大型钢塔块体焊接变形、保证双向接口尺寸匹配组装精度的难题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明具体实施例所述的一种开口式非对称截面大型钢塔块体焊接变形控制方法所形成的钢塔块体的结构示意图；

图2为本发明具体实施例所述的焊接变形控制方法中水平壁板单元的结构示意图；

图3是本发明具体实施例所述的焊接变形控制方法中水平壁板单元、斜向壁板单元和竖向壁板单元进行船位焊接顺序示意图；

图4是本发明具体实施例所述的焊接变形控制方法中的边隔板单元的结构示意图；

图5是本发明具体实施例所述的焊接变形控制方法中的中隔板单元的结构示意图；

图6是本发明具体实施例所述的焊接变形控制方法中所述的支撑工装的结构示意图；

图7为本发明具体实施例所述的焊接变形控制方法制作的三拼单元的结构示意图；

图8是本发明具体实施例所述的焊接变形控制方法中水平壁板单元进行三拼纵向对接焊缝的坡口型式示意图；

图9为本发明具体实施例所述的焊接变形控制方法中水平壁板单元与中隔板单元组装后的结构示意图；

图10为本发明具体实施例所述的焊接变形控制方法制作的边隔板块体的结构示意图；

图11为本发明具体实施例所述的焊接变形控制方法中边隔板块体组装后的结构示意图；

图12为本发明具体实施例所述的焊接变形控制方法中块体整体拼装后的结构示意图；

图13是本发明具体实施例所述的熔透角焊缝坡口型式示意图；

图14是本发明具体实施例所述的焊接变形控制方法的总拼焊接方向及顺序示意图；

图15是本发明具体实施例所述的焊接变形控制方法的熔透角焊缝分段退焊示意图；

1-壁板；2-壁板加强筋；3-隔板；4-隔板加强筋；5-加强圈；6-支撑工装；7-凹槽；

101-水平壁板单元；102-竖向壁板单元；103-斜向壁板单元；104-三拼单元；

301-中隔板单元；302-边隔板单元。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。

需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体实施方式对上述技术方案进行详细说明。

实施例：

如图1-15所示，本申请实施例公开了一种开口式非对称截面大型钢塔块体焊接变形控制方法，包括以下步骤：

S1：将钢塔块体分成多块拼接单元，分为水平壁板单元、斜向壁板单元、竖向壁板单元、边隔板单元和中隔板单元，其中该水平壁板单元、斜向壁板单元和竖向壁板单元的长均为5m～12.2m、宽均为3.1m～3.2m；边隔板单元和中隔板单元的宽均为1.2m～2.3m；其中水平壁板单元至少为3块，斜向壁板单元至少为1块，竖向壁板单元至少为1块，边隔板单元为2*(6-8)块，中隔板单元为1*(6-8)块；

其中，所述步骤S1中的所述水平壁板单元、斜向壁板单元和竖向壁板单元均分别由壁板和多根壁板加强筋组成，所述壁板加强筋焊接在所述壁板上，具体焊接方法如下：采用的是小线能量的富氩气体保护焊方法，在纵横向预变形胎架上采用龙门式多嘴头焊接专机进行船位焊接，焊接时按照交替施焊原则避免集中受热,且壁板加强筋两侧焊接方向保持一致；在进行船位焊接时，纵向预变形量为4mm/m，横向预变形量为30mm/m，焊接时选用实心焊丝G49A3C1S6(φ1.2mm)配合80％Ar+20％CO₂富氩保护气体，焊接电流为280-320A，电弧电压为30-32V，焊接速度为340-360mm/min，气流量20-25L/min，干伸长15-18mm；

所述步骤S1中的隔板单元和中隔板单元均分别由隔板、多根隔板加强筋和加强圈组成，所述隔板的底部开设有拼装槽，所述拼装槽与所述壁板加强筋相对应，所述隔板加强筋间隔焊接在所述隔板上，且所述隔板加强筋上焊接有加强圈；所述隔板与隔板加强筋、加强圈的具体焊接方法如下：在平位胎架上采用自动化隔板机器人进行焊接，施焊前，将隔板四周进行刚性固定，采取对称、分散、同方向的原则进行焊接，控制焊接变形；

S2：将所有所述拼接单元的焊接坡口设计为非对称X型焊接坡口，该非对称X型焊接坡口包括2mm的钝边；所述三拼单元中的水平壁板单元之间的纵向对接焊缝的非对称X型焊接坡口的深坡口侧角度为50-55°，浅坡口侧角度为65-70°；

所述斜向壁板单元与三拼单元、竖向壁板单元间的熔透角焊缝非对称X型焊接坡口的深、浅坡口侧角度均为45-50°；该三拼壁板单元的纵向对接焊缝焊接时横向预变形量为8mm/m，大坡口侧填充满一半后，焊接变形达到预定变形量时，翻身后气刨清根并填充满坡口的三分之二；

焊接变形达到预定变形量时，翻身后填满大坡口侧，焊接变形达到预定变形量时，翻身后完成小坡口侧的焊接，施焊后壁板三拼单元基本达到平面度要求。若施焊过程中，纵向对接焊缝焊接变形超过预设变形量，而焊缝填充金属厚度未达到上述要求时，可增加翻身焊接次数，保证三拼单元焊后平面度；

在三拼单元、斜向壁板单元和竖向壁板单元外观检测及无损探伤合格后，采用焰切小车精切其两长边坡口，保证整体尺寸的同时，提高坡口尺寸精度；

S3：先将3块水平壁板单元焊接成三拼单元；具体步骤如下：

S301：以位于中部的所述水平壁板单元为基准，并在其两侧放置水平壁板单元以形成三拼单元；

S302：对所述水平壁板单元之间进行纵向对接焊接，焊接时先通过柔性电磁感应加热带将对接焊缝两侧加热到预热温度要求并设置反变形量，并选用气体保护焊和埋弧自动焊复合焊接方法，焊接过程中根据接头变形情况，多次翻身以交替施焊，保证所述水平壁板单元焊后的平面度；

S4：进行块体整体拼装，具体步骤如下：

S401：所述三拼单元放置在平位胎架上，并用连接件将所述水平壁板单元与所述平位胎架码固，以所述三拼单元的横基线为基准组装定位所述中隔板单元，并保证该中隔板单元的垂直度≤2mm；在组装前，在平位胎架上布置高程不一的撑板以调节出大型钢塔块体的线型；

S402：将所述边隔板单元的辅助基线对齐所述斜向壁板单元上的纵基线，同时以所述三拼单元的横基线为基准作隔板位置线定位组装所述边隔板单元，形成边隔板块体，保证两侧所述边隔板块体的垂直度≤2mm；

S403：以所述边隔板单元为内胎，以所述三拼单元的底边对齐所述斜向壁板单元的底边，在所述三拼单元两侧组装有所述边隔板块体；

S404：以所述边隔板单元为内胎，将所述竖向壁板单元上的纵基线与所述边隔板单元的竖基线对齐，并以所述竖向壁板单元的底边对齐所述斜向壁板的底边，组装所述竖向壁板单元，并保证所述竖向壁板单元的垂直度以及其与所述边隔板单元的紧贴，在所述边隔板单元和中隔板单元上设置有支撑工装，提高块体整体强度；

S5：首先由所述块体的中部往两侧依次分中、对称施焊中隔板单元、边隔板单元与所述壁板单元间平角位及立位焊缝；然后同向依次对称施焊水平壁板单元、竖向壁板单元与斜向壁板单元间熔透角焊缝；最后由所述块体中间往两侧依次完成中隔板单元、边隔板单元之间立位对接焊缝的焊接；

所述步骤S5中的水平壁板单元、竖向壁板单元与斜向壁板单元的焊接方法如下：焊前通过柔性电磁感应加热带将熔透角焊缝两侧加热至预热温度要求，并采用分段退焊及小线能量焊接方法进行焊接，施焊时先焊接内侧平位深坡口，当深坡口侧填满三分之一后，在外侧仰位碳弧气刨清根，并根据焊接过程中接头变形情况，焊缝两侧交替施焊，减小熔透角焊缝角变形。

其中，所述步骤S5中分段退焊时，将通长熔透角焊缝划分为800mm/段，分段焊接，并按照每段焊接方向与块体熔透角焊缝焊后整体加长方向相反的焊接原则，由块体底端至顶端依次完成各段熔透角焊缝的焊接。

本发明的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (8)

1.一种开口式非对称截面大型钢塔块体焊接变形控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：将钢塔块体分成多块拼接单元，分为水平壁板单元、斜向壁板单元、竖向壁板单元、边隔板单元和中隔板单元；

S2：将所有所述拼接单元的焊接坡口设计为非对称X型焊接坡口；

S3：先将3块水平壁板单元焊接成三拼单元；

S4：进行块体整体拼装，具体步骤如下：

S401：所述三拼单元放置在平位胎架上，并以所述三拼单元的横基线为基准组装定位所述中隔板单元；

S402：将所述边隔板单元的辅助基线对齐所述斜向壁板单元上的纵基线，同时以所述三拼单元的横基线为基准作隔板位置线定位组装所述边隔板单元，形成边隔板块体；

S403：以所述边隔板单元为内胎，以所述三拼单元的底边对齐所述斜向壁板单元的底边，在所述三拼单元两侧组装有所述边隔板块体；

S404：以所述边隔板单元为内胎，将所述竖向壁板单元上的纵基线与所述边隔板单元的竖基线对齐，并以所述竖向壁板单元的底边对齐所述斜向壁板的底边，组装所述竖向壁板单元，在所述边隔板单元和中隔板单元上设置有支撑工装；

S5：首先由所述块体的中部往两侧依次分中、对称施焊中隔板单元、边隔板单元与所述三拼单元间平角位及立位焊缝；然后同向依次对称施焊三拼单元、竖向壁板单元与斜向壁板单元间熔透角焊缝；最后由所述块体中间往两侧依次完成中隔板单元、边隔板单元之间立位对接焊缝的焊接。

2.根据权利要求1所述的开口式非对称截面大型钢塔块体焊接变形控制方法，其特征在于，所述步骤S1中的所述水平壁板单元、斜向壁板单元和竖向壁板单元均分别由壁板和多根壁板加强筋组成，所述壁板加强筋焊接在所述壁板上；

所述步骤S1中的隔板单元和中隔板单元均分别由隔板、多根隔板加强筋和加强圈组成，所述隔板的底部开设有拼装槽，所述拼装槽与所述壁板加强筋相对应，所述隔板加强筋间隔焊接在所述隔板上，且所述隔板加强筋上焊接有加强圈。

3.根据权利要求2所述的开口式非对称截面大型钢塔块体焊接变形控制方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述壁板和壁板加强筋的具体焊接方法如下：采用的是小线能量的富氩气体保护焊方法，进行船位焊接，焊接时按照交替施焊原则避免集中受热,且壁板加强筋两侧焊接方向保持一致；

所述隔板与隔板加强筋、加强圈的具体焊接方法如下：施焊前，将隔板四周进行刚性固定，采取对称、分散、同方向的原则进行焊接，控制焊接变形。

4.根据权利要求2所述的开口式非对称截面大型钢塔块体焊接变形控制方法，其特征在于，所述步骤S2中的三拼单元中的水平壁板单元之间的纵向对接焊缝的非对称X型焊接坡口的深坡口侧角度为50-55°，浅坡口侧角度为65-70°；

所述斜向壁板单元与三拼单元、竖向壁板单元间的熔透角焊缝非对称X型焊接坡口的深、浅坡口侧角度均为45-50°。

5.根据权利要求4所述的开口式非对称截面大型钢塔块体焊接变形控制方法，其特征在于，所述步骤S2还包括以下步骤：在三拼单元、斜向壁板单元和竖向壁板单元外观检测及无损探伤合格后，采用焰切小车精切其两长边坡口，保证整体尺寸的同时，提高坡口尺寸精度。

6.根据权利要求5所述的开口式非对称截面大型钢塔块体焊接变形控制方法，其特征在于，所述步骤S3的具体步骤如下：

S301：以位于中部的所述水平壁板单元为基准，并在其两侧放置水平壁板单元以形成三拼单元；

S302：对所述水平壁板单元之间进行纵向对接焊接，焊接时先通过柔性电磁感应加热带将对接焊缝两侧加热到预热温度要求并设置反变形量，并选用气体保护焊和埋弧自动焊复合焊接方法，焊接过程中根据接头变形情况，多次翻身以交替施焊，保证所述水平壁板单元焊后的平面度。

7.根据权利要求6所述的开口式非对称截面大型钢塔块体焊接变形控制方法，其特征在于，所述步骤S5中的三拼单元、竖向壁板单元与斜向壁板单元的焊接方法如下：焊前通过柔性电磁感应加热带将熔透角焊缝两侧加热至预热温度要求，并采用分段退焊及小线能量焊接方法进行焊接，施焊时先焊接内侧平位深坡口，当深坡口侧填满三分之一后，在外侧仰位碳弧气刨清根，并根据焊接过程中接头变形情况，焊缝两侧交替施焊，减小熔透角焊缝角变形。

8.根据权利要求7所述的开口式非对称截面大型钢塔块体焊接变形控制方法，其特征在于，所述步骤S5中分段退焊时，将通长熔透角焊缝划分为800mm/段，分段焊接，并按照每段焊接方向与块体熔透角焊缝焊后整体加长方向相反的焊接原则，由块体底端至顶端依次完成各段熔透角焊缝的焊接。