鋼管混凝土拱橋鋼板精密切割下料技術(shù)研究

呂益權(quán)

(廣西桂通工程管理集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530029)

0 引言

隨著鋼結(jié)構(gòu)在工程建設(shè)領(lǐng)域的興起，大跨度橋梁建設(shè)也越來(lái)越偏向鋼結(jié)構(gòu)橋梁的選擇，其中鋼管混凝土拱橋是鋼結(jié)構(gòu)橋梁中備受青睞的形式之一。鋼結(jié)構(gòu)加工的關(guān)鍵任務(wù)是將進(jìn)場(chǎng)鋼板加工制造成各個(gè)零件、部件以及單元件，而鋼板切割下料是鋼結(jié)構(gòu)加工的第一步也是非常重要的一步[1]。鋼板切割下料的精度會(huì)持續(xù)影響之后工序的加工精度，而鋼板切割下料產(chǎn)生的缺陷如果處理不好也會(huì)一直伴隨著鋼結(jié)構(gòu)，甚至對(duì)焊接質(zhì)量產(chǎn)生影響。為了提高鋼管混凝土拱橋鋼結(jié)構(gòu)的切割下料精度和質(zhì)量，精密切割下料技術(shù)是必不可少的。但是精密切割下料并不是完美的，其在某些工況下仍會(huì)產(chǎn)生下料缺陷，也會(huì)存在下料鋼板幾何尺寸不符合要求的情況。所以，如何優(yōu)化精密切割下料技術(shù)，進(jìn)一步提高切割下料鋼板的精度以及質(zhì)量是鋼結(jié)構(gòu)工程中一直探討的重要課題。

1 研究背景

文章以某在建的超大跨徑鋼管混凝土拱橋?yàn)檠芯勘尘?，旨在通過(guò)對(duì)鋼板切割下料工藝的探討，研究如何通過(guò)工藝優(yōu)化提高精密切割下料的精度和質(zhì)量。某在建超大跨徑鋼管混凝土拱橋是上承式拱橋，主橋勁性骨架采用鋼管與角鋼組合桿件組合焊接而成。在本工程的技術(shù)背景中，將鋼管拱肋拆分成最小的單元，為筒節(jié)、角鋼、連接板和加勁肋零件。在“以折代曲”的弦管加工技術(shù)中，筒節(jié)的加工是實(shí)現(xiàn)鋼管混凝土拱橋懸鏈線線形的關(guān)鍵因素[2]，所以本文以最具代表性的筒節(jié)母材鋼板切割下料為主要研究對(duì)象，探討精密切割下料技術(shù)在鋼管混凝土拱橋的應(yīng)用與優(yōu)化。

2 工藝原理

鋼管混凝土拱橋原材鋼板采用無(wú)余量切割下料和預(yù)留余量切割下料兩種工藝。無(wú)余量切割下料工藝主要用于焊接收縮量較小的零件，以及非拱肋分段端頭的其他筒節(jié)；預(yù)留余量切割下料工藝主要用于焊接收縮量較大的零件，以及拱肋分段端頭需要預(yù)留焊接收縮余量和切割余量的鋼管筒節(jié)。這兩種工藝的不同之處主要在于下料階段是否預(yù)留余量。兩種工藝都是采用數(shù)控編程技術(shù)，將圖紙中零件的外形尺寸通過(guò)計(jì)算機(jī)編程寫入切割程序中，并根據(jù)不同零件的尺寸優(yōu)化排板，使得在割除廢料最少的情況下保證下料零件的精度和質(zhì)量[3]。精密切割下料通過(guò)全自動(dòng)數(shù)控切割機(jī)實(shí)現(xiàn)，切割程序決定了全自動(dòng)數(shù)控切割機(jī)割嘴切割鋼板的運(yùn)行軌跡，進(jìn)而達(dá)到由數(shù)控編程精密控制零件切割下料尺寸的目的。

3 等離子切割與火焰切割的適用情況分析

3.1 設(shè)備工作原理

鋼結(jié)構(gòu)工程中常用的精密切割下料設(shè)備有全自動(dòng)等離子數(shù)控切割機(jī)和全自動(dòng)數(shù)控火焰切割機(jī)，前者的工作原理是將被高度電離的氣體加熱到極高溫度，并將電弧轉(zhuǎn)移到需切割的鋼板上，其產(chǎn)生的高溫和沖擊使鋼板局部熔化和分離；后者的割嘴上共有三條氣體管道，分別是輸送丙烷、氧氣和高壓氧的，其工作原理是利用丙烷和氧氣按一定比例混合形成火焰，然后再通過(guò)高壓氧將火焰推送出去形成沖擊狀的火焰，進(jìn)而起到切割鋼板的作用。

3.2 設(shè)備特點(diǎn)及適用情況分析

根據(jù)鋼板板厚的不同，較厚鋼板的下料切割可選擇全自動(dòng)數(shù)控火焰切割機(jī)，較薄鋼板的下料切割可優(yōu)先選擇全自動(dòng)等離子數(shù)控切割機(jī)。全自動(dòng)等離子數(shù)控切割機(jī)比全自動(dòng)數(shù)控火焰切割機(jī)的效率更高，并且在薄板下料中，等離子切割會(huì)比火焰切割有著更高的精度和更細(xì)的切割軌跡。但是隨著下料鋼板厚度的增加，等離子下料的鋼板切割面的垂直度會(huì)慢慢變差，所以厚板的切割通常還是采用全自動(dòng)數(shù)控火焰切割機(jī)。某在建超大跨徑鋼管混凝土拱橋勁性骨架弦管的壁厚分為30 mm和35 mm，在母材鋼板下料中采用等離子切割會(huì)導(dǎo)致切割面的垂直度很難達(dá)到要求，而且同樣使用等離子切割，35 mm鋼板的切割面垂直度明顯比30 mm鋼板的差。當(dāng)改用全自動(dòng)數(shù)控火焰切割機(jī)后，同樣板厚的鋼板切割面垂直度得到了明顯的改善。

4 切割下料工藝流程及質(zhì)量控制要點(diǎn)

4.1 工藝流程

(1)數(shù)控切割下料前，將鋼板吊運(yùn)上切割平臺(tái)進(jìn)行定位，并將筒節(jié)外形尺寸放樣到鋼板上，保證用于筒節(jié)下料的鋼材軋制方向與筒節(jié)卷制方向一致。

(2)定位完成后切割工人對(duì)全自動(dòng)數(shù)控火焰切割機(jī)進(jìn)行數(shù)控編程，在計(jì)算機(jī)中編制出割嘴的運(yùn)行軌跡，并調(diào)試好切割速度、送氣量、預(yù)熱時(shí)間及割嘴到鋼板表面的距離等參數(shù)[4]。

(3)正式切割前，讓割嘴按照數(shù)控編程空走一輪，模擬出切割鋼板的運(yùn)行軌跡。

(4)正式切割開始，全自動(dòng)數(shù)控火焰切割機(jī)中的氧氣與丙烷混合形成火焰，高壓氧再將形成的火焰沖擊出來(lái)在割嘴處形成火焰切割刀，接著割嘴按編程好的運(yùn)行路線進(jìn)行鋼板切割。

(5)切割完成后，技術(shù)人員對(duì)成形鋼板進(jìn)行測(cè)量，并采用油性記號(hào)筆將零件號(hào)和坡口形式等信息移植到零件表面。

4.2 筒節(jié)鋼板切割下料方向的選擇

根據(jù)《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》(JTG/T 3650-2020)的要求：鋼板的軋制方向與其主要受力方向一致[5]。鋼管筒節(jié)是采用三輥卷板機(jī)將切割下料好的鋼板卷制而成的，鋼板卷板的方向是鋼管筒節(jié)加工階段主要產(chǎn)生應(yīng)力的方向，所以在下料階段需保證鋼管筒節(jié)母材的卷板方向沿鋼板原材的長(zhǎng)度方向布置。

4.3 質(zhì)量控制要點(diǎn)

(1)鋼管拱肋“以折代曲”的加工工藝要求單個(gè)筒節(jié)內(nèi)長(zhǎng)度方向的尺寸是不同的，進(jìn)而通過(guò)鋼管筒節(jié)之間長(zhǎng)邊與長(zhǎng)邊的對(duì)接、短邊與短邊的對(duì)接形成拱肋曲線。所以，在鋼管筒節(jié)原材鋼板的切割下料中，環(huán)縫端應(yīng)沿拋物線切割下料，兩端拋物線頂點(diǎn)的連線即是鋼板卷制成鋼管筒節(jié)時(shí)的長(zhǎng)邊，兩端拋物線最低點(diǎn)的連線即是短邊。在切割下料中，嚴(yán)格控制邊沿的切割路徑，確保卷制筒節(jié)滿足“以折代曲”加工工藝的要求。

(2)精密切割下料技術(shù)要嚴(yán)格控制下料鋼板的外形尺寸及切割面的質(zhì)量，保證其符合《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》(JTG/T 3650-2020)和《鐵路鋼橋制造規(guī)范》(QC/R 9211-2015)[6]的要求。下料階段將鋼板的外形尺寸偏差控制在±1 mm，對(duì)角線之差≤2 mm。主要零件火焰切割面粗糙度應(yīng)≤25μm，次要零件火焰切割面粗糙度應(yīng)≤50μm，切割面垂直度偏差不大于0.05倍的板厚且≤2 mm，硬度不應(yīng)超過(guò)HV350，同時(shí)切割面每m長(zhǎng)度范圍內(nèi)僅允許出現(xiàn)一處≤1 mm的崩坑。

5 鋼板切割下料技術(shù)優(yōu)化研究

5.1 提高切割下料鋼板外形尺寸精度

5.1.1 導(dǎo)致精密切割下料鋼板精度偏差的原因分析

在全自動(dòng)數(shù)控火焰切割機(jī)切割下料的過(guò)程中，割嘴在完成當(dāng)下局部的切割后根據(jù)編程持續(xù)進(jìn)行整板切割，因?yàn)殇摴芡补?jié)母材用鋼板整板面積較大，切割路徑較長(zhǎng)，所以導(dǎo)致了整塊鋼板上同時(shí)存在局部受熱、局部不受熱和局部受熱后冷卻的現(xiàn)象，進(jìn)而引起了本應(yīng)固定不動(dòng)的整板因膨脹和收縮不均衡而在切割過(guò)程中產(chǎn)生移動(dòng)的現(xiàn)象，而全自動(dòng)數(shù)控火焰切割機(jī)割嘴始終是按照編程的運(yùn)行軌跡移動(dòng)的，最終導(dǎo)致了切割形成的主弦管母材鋼板外形尺寸的偏差。

5.1.2 優(yōu)化切割下料工藝

通常切割下料的整板均采用一次切割下料完成，即割嘴通過(guò)數(shù)控編程路徑不間斷地切割零件邊緣，最后實(shí)際切割路線閉合得到完整的零件。為解決以上存在的問(wèn)題，本文提出預(yù)留點(diǎn)分階段割除法，即是在鋼板進(jìn)行下料切割時(shí)，預(yù)留一塊鋼管筒節(jié)母材鋼板縱向?qū)由系乃膫€(gè)點(diǎn)不切割，以此來(lái)固定被切割鋼板在火焰切割過(guò)程中不發(fā)生位移(見(jiàn)圖1)。待全自動(dòng)數(shù)控火焰切割機(jī)完成整板的切割后，每塊鋼管筒節(jié)母材鋼板上仍留有四個(gè)點(diǎn)未割除，接著再采用割炬進(jìn)行手動(dòng)切割四點(diǎn)連接處，此時(shí)整塊鋼管筒節(jié)母材鋼板完全脫離原材鋼板，但仍留有四點(diǎn)的根部未完全割除(見(jiàn)圖2)。為了防止割炬切割到母材，采用這種方法切割時(shí)要留有余量，最后在坡口切割階段用半自動(dòng)火焰切割機(jī)將四個(gè)點(diǎn)的根部連同余量一起割除(見(jiàn)圖3)。

圖1 全自動(dòng)數(shù)控火焰切割機(jī)切割路徑示意圖

圖2 割炬手工切割后仍留四點(diǎn)根部的母材鋼板示意圖

圖3 半自動(dòng)火焰切割機(jī)沿路徑切割坡口示意圖

5.2 避免火焰切割面出現(xiàn)弧坑

5.2.1 導(dǎo)致火焰切割面出現(xiàn)弧坑的原因分析

全自動(dòng)數(shù)控火焰切割機(jī)在起弧預(yù)熱階段，沖擊火焰未能直接融穿鋼板，會(huì)導(dǎo)致火焰和液態(tài)高溫的鐵水回流，最后在起弧的位置形成一個(gè)圓柱形的孔洞。如果起弧點(diǎn)靠近母材邊緣，就會(huì)導(dǎo)致起弧形成的圓柱形孔洞留在鋼板的邊緣。

5.2.2 轉(zhuǎn)移起弧點(diǎn)的方法

為了避免弧坑的出現(xiàn)，最有效的辦法是將起弧點(diǎn)轉(zhuǎn)移到母材鋼板外，一種思路是將起弧點(diǎn)轉(zhuǎn)移到切割的廢料中，讓火焰切割的運(yùn)行路徑從外邊沿的廢料移動(dòng)回母材鋼板邊緣再正式切割；另一種思路是在母材鋼板邊緣留有足夠的切割余量，并且將起弧點(diǎn)設(shè)置在需要開坡口的邊緣，這樣在母材鋼板邊緣形成的弧坑可在下一步坡口切割工序中被完全切除。

5.3 提高火焰切割面垂直度精度

由前文的分析可知，鋼板火焰切割面的垂直度偏離過(guò)大是因?yàn)楹癜暹x用了等離子切割造成的，所以應(yīng)根據(jù)板厚的不同選用合適的精密切割下料設(shè)備，較厚板應(yīng)選擇全自動(dòng)數(shù)控火焰切割機(jī)進(jìn)行切割下料。

6 結(jié)語(yǔ)

精密切割下料技術(shù)在鋼管混凝土拱橋鋼結(jié)構(gòu)加工領(lǐng)域的運(yùn)用，提高了零件下料的精度和效率，但在實(shí)際施工中，精密切割下料技術(shù)并不是完美的。通過(guò)本文的研究，論述了精密切割下料技術(shù)在鋼管筒節(jié)下料中的運(yùn)用實(shí)例，探討了進(jìn)一步提高精密切割下料精度和質(zhì)量的優(yōu)化方向，為今后同類型鋼結(jié)構(gòu)切割下料施工提供參考。