合肥南环线南淝河大桥主桁上弦杆制作工艺

合肥南环线南淝河大桥主桁上弦杆制作工艺
专业：焊接技术与工程
班级：08焊接2班
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前言1 1焊接材料的选择及钢板检验2
1.1 焊接材料的选择 2 1.2 钢板检验 3
1.2.1 钢号核对3
1.2.2 化学成分检验3
1.2.3 力学性能检验3
1.2.4 缺陷检验3 2焊接材料的预处理 4
2.1 除锈 4 2.2 矫正5
3划线、号料、下料7
3.1 划线7 3.2 号料8 3.3 下料9
3.3.1 切割9
3.3.2 边缘加工9
3.3.3 开坡口11
4组对12 5焊接13
5.1 焊接方法及设备13 5.2 焊接工艺参数13 5.3 焊前准备13 5.4 焊接过程14
6 焊后处理14
6.1 焊后变形处理14
6.1.1 机械矫正法14
6.1.2 火焰矫正法6
6.2 消除残余应力18
7 成形质检20
7.1 外观检验20 7.2 无损探伤23
参考文献26
前言
随着大规模铁路建设和公路桥的规划实施,桥梁结构用钢的应用越来越泛。

桥梁结构用钢主要用于大跨度桥梁的主体,承受较大的静、动载荷,长期暴露于露天环境,工作条件恶劣,服役时间长,因此不仅要求优良的强度、韧性、可焊性,同时要求低的屈强比,以保证大载荷下的抗断裂能力。

同时在桥梁设计与施工上必须满足的具体要求有两点：
1桥梁设计必须积极采用新结构、新材料、新设备、新工艺和反映新的设计思想。

整个桥梁结构及其各个部分构件，在制造、运输、安装和使用过程中应具有足够的强度、刚度、稳定性和耐久性。

2桥梁施工时，桥梁结构应便于制造和安装，尽量采用先进的工艺技术和施工机械，以利于加快施工速度，保证工程质量和施工安全。

基于以上内容，本文介绍了大桥主桁上弦杆的原材料的选择、检验依据和预处理方法，及产品的整个焊接工艺流程，包括从划线、号料直到成品检验的全过程。

其中重点阐述了坡口的加工和焊后变形的矫正及成品检验的方法和依据。

本产品的制造、试验和验收均按GB/T 714-2000《桥梁用结构钢》技术条件规定严格执行。

1焊接材料的选择及钢板检验
1.1焊接材料的选择
主桁上弦杆A4使用的材料为Q235和Q370系列钢。

具体为：Q235B、Q370qE Q370qD，其中以Q370qE Q370qD为主要材料。

Q235为低碳钢；Q370牌号隶属热轧钢范畴，其屈服强度为295～390MPa 的低合金钢大多属于热轧钢，是靠合金元素锰的固溶强化获得高强度。

热轧钢通常为铝镇静的细晶粒铁素体+珠光体组织的钢，一般在热轧状态下使用。

当Q370钢作为低温压力容器用钢或厚板结构时，为改善低温韧性，也可在正火处理后使用。

Q370钢的化学成分见表1、力学性能见表2。

Q370钢一般在正火状态下使用。

对于中厚板材，为了改善钢的综合力学性能，特别是冲击性能，可进行900～920℃正火处理。

正火后钢的强度略有降低，但塑性、韧性、低温冲击韧性显著提高，并降低脆性转变温度。

1.2钢板检验
钢板检验是为了检验所用的钢材是否符合国家标准，相关的技术要求，质量标准和等级标准，主要检验以下几个方面：钢号、化学成分、力学性能、表面和内部缺陷等。

1.2.1钢号核对
钢材入厂时，检验员应该按厂内的钢材进货要求检查所入钢材是否为本厂要求的同批号钢材，且数量是否足够。

1.2.2化学成分检验
在钢板上取样之后，对其进行化学成分的校对检验。

检验的主要元素是碳，锰，硫，磷。

化学分析试验的操作应符合GB223的规定，化学成分参见表1。

1.2.3力学性能检验
通过做静载荷试验，来检验钢材的屈服强度，抗拉强度，伸长率，断面伸缩率，硬度，通过动负荷试验来检验钢材的常温冲击，力学性能参见表2。

试样形状、尺寸及试验方法参见GB2649-81、GB2651-81、GB2653-81的规定。

1.2.4缺陷检验
钢材的缺陷主要有表面缺陷和内部缺陷两种。

（1）检验成品钢材的表面缺陷是指检验其是否在运输中受损，出现严重损伤划痕、沙眼、裂纹等，一般为可见的缺陷。

（2）检查所入钢材的内部缺陷是指检查内部是否存在沙眼、气孔、夹渣、裂纹、麻点、疏松等缺陷。

一般用超声探伤。

2焊接材料的预处理
2.1除锈
对于表面有划痕的板材，在保证其最低厚度的前提下将划痕打磨掉，打磨的标准如图1所示：
图1 规定的打磨标准
由于钢材表面的油污、锈蚀和氧化皮等都会影响产品的质量。

因此，在进行材料划线、下料之前必须先进行表面预处理。

工业生产中常用的机械除锈法包括：风动或电动砂轮、钢丝刷、喷丸、喷沙等。

其中喷丸是目前工厂应用较多的大面积净化方法之一。

针对桥梁使用的Q235B低碳钢和Q370qD、Q370qE普通低合金钢，根据GB8923-2005，选择Sa3的除锈等级。

除锈后应达到图2中的标
准。

图2 Sa3除锈标准
本次设计选用的喷丸设备是GYX-2M型钢材预处理装置技术参数见表3，它既可以用于钢板的表面处理，也可用于结构部件的表面处理。

该装置进行钢材预处理的工艺过程为：电磁吊上料→辊道输送→预热→喷丸→清理丸料→喷漆→烘干→轨道输送出料。

表3 GYX-2M 型钢材预处理装置技术参数
2.2矫正
钢材在轧制、运输、装卸和堆放过程中，由于自重、支撑不当，或装卸条件不良及其它原因，可能会产生弯曲、扭曲、波浪及表面不平等变形。

当这些变形超过一定程度时，会给尺寸的度量、划线、剪裁及其他加工带来困难，而且会影响到成型零件的尺寸和几何形状的精度，从而影响到装配、焊接和整个产品的质量。

所以，划线、下料前应予以矫正。

因此，矫正有关标准规定了钢板的允许偏差,如表4所示。

矫正方法分为：手工矫正、机械矫正、火焰矫正。

因为手工，火焰矫正不适合钢板的整体矫正，所以本次设计采用机械矫正法当钢板有凹凸不平及弯曲变形，不符合标准要求时，则需进行矫正。

多辊矫平机是金属板材、带材矫平的通用矫平设备。

一般校平辊数目越多，矫平质量越好。

本次设计选用的钢板厚度为12厚，钢板为Q370qD，所以我选用九辊矫辊机。

它的工作原理如图3所示，参数见表5。

表4 钢板的允许偏差
图3 九辊式矫平机工作原理图
矫辊机的矫正原理是使板料通过矫平机的上下两列辊子之间，在辊子压力的作用下，受到多次反复弯曲，整个钢板得到均匀地伸长，使多种原始曲率逐步趋向一致变为单一，并不断减小，最终得到矫平。

矫平的次数与矫平机上下两列辊子之间调整的净空距离有关，一般是略小于被矫钢板的厚度。

为了提高矫平效果，可使辊间距离前后不等，前边辊间距离较小，使钢板产生较大的变形，以使弯曲均匀，而后面的辊间距离较大，使钢板的变形逐渐减小和平直。

这样通过一次就能达到矫平的目的。

矫平机的辊子直径、辊间距离和滚筒数也是影响矫平效果的主要因素。

辊间距相当于两支点间距，辊间距越大，辊子使钢板弯曲变形所需要的压力越小，但在相同的下压量时矫平效果差。

反之，辊间距越小，钢板弯曲变形所需压力越大，矫平效果越好。

矫正后，经测量，钢板的变形需在规定范围内方可进行下一步加工。

3钢板的划线、号料、下料
3.1 划线
按构件设计图样的图形与尺寸1:1划在待下料的钢材上，以便按划线图形进行下料加工的工序为划线。

生产中经常采用的划线方法有样板和草图划线两种，划线时应注意以下事项：
1.熟悉结构件的图样和制造工艺，根据图样检验样板、样杆，核对选用的钢号，规格应符合规定的要求；
2.检查钢板是否有表面麻点、裂纹、夹层及厚度不均匀等缺陷；
3.划线前应将材料垫平、放稳，划线时要尽可能使线条细且清晰，笔尖与样板边缘间不要内倾和外倾；
4.划线时应标注各种下道工序用线，例如，展开构件的素线位置、弯曲件的弯曲范围或折弯线、中心线、比较重要的装配位置线等，并加以适当标记以免混淆；
5.弯曲零件号料时，应考虑材料轧制的纤维方向；
6.钢板两边不垂直时一定要去边。

划尺寸较大的矩形时，一定要检查对角线；
7.划线的毛坯，应注明产品的图号、件号和钢号，以免混淆；
8.注意合理排料提高材料的利用率。

3.2 号料
号料就是根据样板在钢材上画出构件的实样，并打上各种加工记号，为钢材的切割下料作准备。

号料的步骤：
1.根据料单检查清点样板和样杆，点清号料数量。

号料应使用经过检查合格的样板与样杆，不得直接使用钢尺。

2.准备号料的工具，包括石笔、样冲、圆规、划针、凿子等。

3.检查号料的钢材规格和质量。

4.不同规格、不同钢号的零件应分别号料，并依据先大后小的原则依次号料。

对于需要拼接的同一构件，必须同时号料，以便拼接。

5.号料时，同时划出检查线、中心线、弯曲线，并注明接头处的字母、焊缝代号。

6.孔应使用与孔径相等的圆规规孔，并打上样冲标记，便于钻孔后检查孔位是否正确。

7.弯曲构件号料时，应标出检查线，用于检查构件在加工、装焊后的曲率是否正确。

8.在号料过程中，应随时在样板、样杆上记录下已号料的数量，号料完毕，则应在样板、样杆上注明并记下实际数量。

号料时，要求把所有结构零件的真实形状、加工要求、装配用线、孔洞等均标记在钢板上面，并用文字和符号注写清楚。

号料的质量直接影响下道工序的质量，必须十分认真。

对于一次号料无法完成的情况下，还需要二次号料，需要二次号
料的情况有3种：
(1)有变形加工的零件，在变形加工之前不能确定其下料尺寸，如封头的制作。

在成型后，要去掉多余的毛边和加工余量，需要进行二次划线。

(2)有要求钻孔的零件或构件，如连接孔，装配孔等，位置及形状要求较严格，需要在变形加工后，装配-焊接之前，有的甚至是在装配-焊接之后，才进行加工制作，为确定其准确的位置和保证其正确的孔形，此时也需要二次划线。

(3)尺寸较大的构件，对尺寸精度要求很精确的，往往是先采取下加长的荒料，待装汗之后，再按要求的尺寸将多余的部分去掉因此也需要二次划线。

3.3 下料
3.3.1切割
金属材料的下料可采用机械切割和热切割完成。

对有加工硬化倾向或有淬硬倾向的金属材料，在机械剪切或热切割后，待焊边缘应进一步机械加工。

对厚板则需作边缘的坡口加工。

钢材的剪裁方法很多，目前金属结构制造厂常用的主要方法有：机械剪裁、气体火焰切割和等离子弧切割等。

由于气割设备简单、使用灵活方便；切割速度快、生产效率高；成本低，使用范围广。

因此采用气割下料。

气割的实质是金属在氧中的燃烧过程。

它利用可燃气体和氧气混合燃烧的火焰产生的预热被切割金属表面，并使其呈活化状态，然
后送进高纯度、高速度的切割氧流，是金属在氧气中剧烈燃烧生成金属氧化物熔渣，并放出大量的热量，借助这些燃烧热和高温熔渣的热传导，不断加热切口金属，直至工件底部同时借助高速氧流把燃烧生成的氧化物熔渣吹除；再由被切割工件与割炬相对移动形成切缝。

具体下料如图4所示
图4 N3板下料图
由于考虑到需留有加工余量，所以下料时长边尺寸应多留取10mm，则为12750+10=12760mm，短边多留取6mm，则为850+6=856mm。

气体切割机选用CG1—30小车式半自动切割机，技术参数如表6所示。

表6 CG1-30技术参数
3.3.2边缘加工
所谓边缘加工是将工件的边缘或端面加工成符合工艺要求的形状和尺寸精度的加工工序[13]。

对下料后的零件进行边缘加工，主要是
为了：
1.消除前道工序加工所产生的加工硬化层和热影响区；
2.消除装配、焊接工件边缘或自由边的各类缺陷，以提高结构的整体质量；
3.提高结构的表面质量，也可为产品的后期制作创造条件。

本次设计选用B81050A型刨边机进行边缘加工。

3.3.3坡口
焊接之前常需要对钢板的接头处开坡口，坡口切割方法有手工切割和机械切割两种。

在设备条件好的情况下，可采用机械切割，如采用坐标式切割机、平面四边形切割机或专为切割坡口用的切割设备等。

采用机械方法切割的坡口，只要把熔渣清理干净，不需要进行任何的机械加工就可进行焊接。

在成批生产中，采用机械方法切割坡口的经济效益更为显著。

由于手工切割坡口设备简单（采用普通气割设备），方便灵活，对于组合的部件和结构较复杂的零件以及单件生产，手工切割比较方便、有效。

但手工切割坡口的质量在很大程度上受切割技术熟练程度的影响。

对于重要构件或受压容器的焊接坡口，在没有把握的情况下最好不用手工切割。

焊接结构中常见的焊接坡口有V形、Y形、X形（带钝边或不带钝边）、U形，其中V形和Y形坡口当单侧坡口角度大于30°时，通常不易气割，需把坡口面置于背面进行切割。

在正确掌握火焰切割参数和操作技术的条件下，气割坡口的质量
良好，可直接用于工件装配和焊接。

坡口的准备类型有很多例如N1和N3板的对接可以选择图所示的坡口的形式进行坡口准备，具体数据如图5所示。

图5 N1和N3对接坡口形式
4 组对
1铆工在组对构件前要熟悉图纸，对图纸有一个全面了解，并根据图纸要求做出合理的装配顺序。

2组对工作应在组装钢平台上进行，首先将桥梁箱型的一条分解成二个小箱型，进行分别装配，然后组成一体。

3装配先把上翼板平放在平台上，画出隔板、腹板安装位置，把隔板分装在翼板上点焊好。

然后再装配腹板先把二侧腹板装好，与隔板翼板点焊好，再将中间部位的腹板按画好的线装好，点焊牢，组成了一个山字形和一个口形，送到焊接班进行焊接，焊好后要检查是否有变形，如发现变形，需整形后再进行下步装配。

4将焊好的山字形的下翼板组装好进行焊接，使两个箱形基本成形，开始进行电渣焊，电渣焊后再将两个分箱体组成一整体，整体组
好点焊牢后进行焊接，焊接完后，再进行最后一道电渣焊，完成整个箱体组装焊接。

5其它箱形组对焊接与以上制作相同。

6将焊好的整体箱型检查是否有变形，如有变形应进行矫正处理，然后再进行下部工序。

7拼装焊接完后要进行矫正，有不规范处进行火焰矫正，矫正温度不大于900度，矫正各项尺寸达到设计和规范要求。

8依照以上制作顺序将每段制作好。

编写好编号，进行予拼装，予拼装无误后方可涂漆，堆放出厂。

5钢板的焊接
5.1焊接方法和设备
焊接方法采用人工二氧化碳气体保护焊和自动埋弧焊完成。

焊机分别采用二氧化碳保护焊型号500的焊机和MZ-1000自动埋弧焊机. 埋弧焊采用H08A焊丝，焊剂采用SJ401，Φ4mm，二氧化碳气体保护焊采用焊丝采用ER50－6，Φ1.2ｍｍ。

5.2焊接参数
5.2.1 气体保护焊参数
CO2气体保护焊接CO2气体必须具有较高纯度，一般要求
CO2>99．8% O2<0.1% H2O<1.22g/m3,并应在瓶内气体在1Pma
时停止使用。

电流240~280A电压28~32V气流25~35cm/min.。

5.2.2埋弧焊参数
电压30-33，电流580—650，速度350—450/mｉn。

在焊接
中根椐实际情况随时调整参数。

5.3焊前准备
1.焊前检查焊缝及邻近20～50mm区域内是否存在影响焊接质量的缺陷存在，对存在的缺陷应通过补焊修磨等方法进行去除，确保焊接质量。

2.焊前在焊缝及邻近20～50mm区域用丙酮或酒精等易挥发性溶剂清洗，以去除其表面油脂，污渍、标记、氧化皮的其它杂质。

3.查焊机电路接线是否正常，接地是否良好。

5.4焊接过程
1.固焊：使用焊条电弧焊将工件点焊连接，焊条使用E5015，直径Φ5，焊接电流150A。

每间隔300mm之间一个点固焊，一般点固焊长度为50mm。

2.焊接时涉及到焊接顺序，焊接顺序的正确与否直接影响到焊接变形的大小，所以必须要按照正确的焊接顺序进行。

例如箱体的焊接：上翼板与腹板隔板焊好后，开始焊下翼板，下翼板焊接采用平面坡口焊，采用单面坡口，反面设衬板留有2mm缝隙，，熔透焊。

3.对于一次焊不透的板可以采用多道焊的方法。

6焊后处理
6.1、焊后变形处理
焊后残余变形主要有纵向收缩变形、横向收缩变形、角变形、波浪变形、挠曲变形、失稳变形和错边变形。

焊后残余变形的矫正方法：常用的矫正方法有机械矫正和火焰矫正法两种。

6.1.1机械矫正法
机械矫正法就是利用机械力的作用使构件产生与焊接变形相反的塑性变形来矫正焊接变形的方法。

该法速度快、效果好，最适用于矫正焊件焊后的弯曲变形和角变形。

如工字梁焊后变形的机械矫正。

6.2.2火焰矫正法
火焰矫正法是用气体火焰局部加热金属，利用金属材料热胀冷缩的特性，使金属产生局部变形而达到矫正的目的一种方法。

因制造时的应力(焊接变形、受热不均、强力组装、吊运时的碰撞等)而产生新的变形，而这种变形往往无法用机械矫正，有时又不能用手工矫正此时就可以用火焰矫正。

火焰矫正方法，一般多使用气焊或气割的大号焊炬或割炬或特制火焰矫形枪，采用中性氧乙炔焰或其他气体火焰作为加热源。

加热温度的高低取决于工件厚度、材质、结构形式和变形量的大小，一般应控制在钢材回火温度以下。

1．火焰加热温度
火焰矫正根据材质、板厚和加热方法等不同情况，选择不同的加热温度。

可分为低温加热、中温加热和高温加热。

1）低温加热
加热温度为500～600℃。

适宜加热板厚小于6mm的钢板。

适宜含碳量大于0.25%的碳素钢和低合金高强度钢火焰矫正。

低温加热允许浇水（清水）冷却。

2）中温加热
加热温度为600～700℃，适宜加热板厚6～12mm的钢板。

对于含碳量大于0.35%的碳素钢和低合金高强度钢加热温度要控制准确，应采用测温笔或测温仪器测量，不得超过723℃。

3）高温加热
加热温度为723～850℃，适于大厚板加热，板厚14～16mm加热温度750～800℃，大于20mm厚板加热温度为850℃。

含碳量大于0.35%钢和合金高强度钢不能采用高温加热矫正。

2.火焰矫正的加热速度
表7 火焰矫正加热速度与板厚关系
3．火焰矫正的加热方法
1）线状加热法
⑴线状加热操作方法
线状加热分为直线加热、环形加热和曲线加热
①直线加热
火焰在构件上沿直线加热的火焰矫正。

加热宽度较窄，加热速度较快，适用加热小于厚度10mm以下的钢板结构件。

②环形加热
适用于厚度大于10mm的中厚板加热，加热宽度不得超过40mm.
③曲线加热
适用于厚板火焰矫正加热，线状加热矫正构件弯曲变形加热应烤
透。

但火焰矫正角变形。

⑵线状加热的应用
①构件的角变形和翘曲变形的矫正
角变形主要用于焊接工字钢上下盖板的角变形修复和构件焊
有格形板角变形的矫正如图6和图7所示。

线状加热
图6格形板角变形矫正图7两板对接焊缝角变形的矫正
板件波浪变形的矫正焊接有格板形成的波浪变形可采用短线
加热，其加热线于骨架夹角为35°～45°，如图8所示。

图8短线加热对板件波浪变形的矫正
②构件弯曲变形的矫正
主要用于构件梁、柱等弯曲变形的矫正
利用加热线横向收缩矫正弯曲变形
采用构件中性轴一侧火焰，垂直于中性轴横向线状加热，则加热冷却产生的横向压缩塑性收缩变形使构件向另一侧弯曲。

可在梁、柱外有内筋板腹板焊缝处及中性轴以下横向火焰加热，并在盖板对应处也横向加热，可矫正构件的弯曲变形；另一方面可矫正有构件内筋板横向焊缝引起的角变形及波浪变形。

利用线状加热纵向收缩矫正构件弯曲变形
梁或柱向下挠曲，可在下盖板上沿二条纵向角焊缝方向线状加热，使梁向上拱曲。

2）三角形加热法
⑴三角形加热法操作方法
三种形式：直线加热、环形加热和曲线加热排列形成加热面积。

三角形加热构件要加热透和均匀，否则易引起翘曲变形。

火焰加热要根据板厚，选择相应的合适的火焰矫正基本参数。

⑵三角形加热应用
①用于矫正构件的弯曲变形矫正如图9所示。

图9弯曲变形的矫正
②梁端部腹板翘曲变形矫正如图10所示。

图10 梁端部腹板翘曲变形的矫正
6.2消除残余应力
产生焊接变形的原因有很多，例如焊接顺序，焊接应力等，所以焊接后应该对部分工件进行消除残余应力处理，方法有如下这些。

（1）利用锤击焊缝区来控制焊接残余应力
焊后用小锤轻敲焊缝及其邻近区域，使金属展开，能有效地减少焊接残余应力。

（2）利用预热法来控制焊接残余应力
构件本体上温差越大，焊接残余应力也越大。

焊前对构件进行预热，能减小温差和减慢冷却速度，两者均能减小焊接残余应力。

（3）利用“加热减应区法”来控制焊接残余应力
焊接时，加热那些阻碍焊接区自由伸缩的部位，使之与焊接区同时膨胀和同时收缩，就能减小焊接应力，这种方法称为“加热减应区法”，加热的部位就称之为“减应区”。

（4）利用高温回火来消除焊接残余应力
由于构件残余应力的最大值通常可达到该种材料的屈服点，而金属在高温下屈服点将降低。

所以将构件的温度升高至某一定数值时，应力的最大值也应该减少到该温度下的屈服点数值。

如果要完全消除
结构中的残余应力，则必须将构件加热到其屈服点等于零的温度，所以一般所取的回火温度接近于这个温度。

①、整体高温回火将整个构件放在炉中加热到一定温度，然后保温一段时间再冷却。

通过整体高温回火可以将构件中80%~90%的残余应力消除掉，这是生产中应用最广泛、效果最好的一种消除残余应力的方法。

回火时间随构件厚度而定，钢按每毫米壁厚l~2min计算，但不宜低于30min，不必高于3h，因为残余应力的消除效果随时间迅速降低，所以过长的处理时间是不必要的。

②、局部高温回火只对焊缝及其局部区域进行加热消除残余应力。

消除应力的效果不如整体高温回火，此方法设备简单，常用于比较简单的、刚度较小的构件，如长筒形容器、管道接头、长构件的对接接头等焊接残余应力的消除。

（5）利用温差拉伸法来消除焊接残余应力
温差拉伸法消除焊接残余应力的基本原理与机械拉伸法相同，主要差别是利用局部加热的温差来拉伸焊缝区。

温差拉伸法是在焊缝两侧各用一个宽度适当的氧乙炔焰焊炬进行加热，在焊炬后面一定距离，用一根带有排孔的水管进行喷水冷却。

氧乙炔焰和喷水管以相同速度向前移动。

这就形成了一个两侧温度高(峰值约为200℃)、焊接区温度低(约为100℃)的温度差。

两侧金属受热膨胀对温度较低的区域进行拉伸，这样就可消除部分残余应力。

据测定，消除残余应力的效果可达50%~70%。