TIG重熔在吊车梁加固工程中的应用 / 开普饭

1 前言

某炼钢厂投产十几年后，部分吊车梁支座处出现疲劳裂缝。为了保证安全生产，更换了破坏严重的吊车梁，对其他疲劳强度不足的吊车梁采用补强加固方案。按照这个方案，要对吊车梁主要进行两方面的处理，一是将支座圆弧处的焊缝刨掉后重焊；二是增焊斜板加强。然而，吊车梁加固施工需要停产进行，实施这个方案的施工时间很长，仅焊接加固板的时间就需要50~70小时，总的施工时间会较多地超过从生产、设备检修多方面考虑所安排的72小时停产计划。为此，需要优化补强加固方案缩短施工时间。

2 优化加固方案的途径

影响钢结构构件和连接疲劳性能的因素可分为两个方面：一方面是构件和连接承受的应力幅大小，与所受重复荷载、构件截面尺寸等有关；另一方面是构件和连接的构造细节，与构造外形、残余应力、焊接质量等有关，我国《钢结构设计规范》GB 50017-2003将构件和连接分为8类，不同类别的构件和连接具有不同的疲劳容许应力幅。当应力幅高于疲劳容许应力幅时，就会出现疲劳破坏。改善了以上两个方面的任何一个，使得应力幅低于疲劳容许应力幅，就可以得到保证吊车梁不出现疲劳破坏。

原加固方案主要是通过降低吊车梁圆弧处的疲劳控制应力幅来达到保证疲劳强度的目的，圆弧处的疲劳容许应力幅并没有改变。理论分析和疲劳试验已经证明，原加固方案采用与腹板等厚度的加固板进行焊接加固，圆弧处疲劳控制应力幅降低了45%，吊车梁圆弧处疲劳性能得到了明显改善，在给定的使用年限内可以保证不出现疲劳破坏。

采用TIG重熔技术，可以显著改善焊缝连接的疲劳性能。经过TIG重熔处理后，焊缝的疲劳容许应力幅得以提高，因而应力幅不必降低原方案那样多就可保证在给定的使用年限内不出现疲劳破坏。这样一来，加固板就可以减薄，焊接工作量大大降低。此外，TIG重熔可消除焊缝趾部缺陷，此处的疲劳累积损伤最为严重，所以，通过TIG重熔处理有可能避免将圆弧处原有焊缝刨掉后重焊，使加固施工进一步简化.

3 TIG重熔

所谓TIG(Tungsten Inert Gas Welding)就是钨极惰性气体保护焊，是在惰性气体的保护下，利用钨电极与工件间产生的电弧热熔化母材和填充焊丝（如果使用填充焊丝）的一种方法。用氩气作为保护气体的称为钨极氩弧焊，在工业上广泛应用。TIG重熔就是利用钨极氩弧为热源将焊缝的焊趾重新熔化，消除焊缝存在的咬肉、夹渣等缺陷，同时形成过渡匀顺的重熔区，从而减小应力集中，提高焊接接头的疲劳强度。

4 疲劳试验

为了确定吊车梁圆弧处焊缝采用TIG重熔处理后疲劳性能改善效果，进行了模拟这种焊缝的焊接接头疲劳试验，包括原状焊缝接头试验、TIG重熔接头试验和有一定累积疲劳损伤后再TIG重熔的接头试验。

原状焊缝和TIG重熔试件疲劳试验结果示于图1，图中实线表示回归曲线的平均值，虚线表示具有97%保证率的置信下限。可以看出，原状焊缝和TIG重熔的疲劳曲线的斜率明显不同，分别为-2.51和-5.47。在应力循环次数低于50万次时，两种试验结果比较接近；应力循环次数高于50万次时，TIG重熔试件的疲劳强度明显高于原状焊缝试件，具有97%保证率的二百万次疲劳强度分别为93.4MPa和63.4MPa，高出47.3%。由于炼钢厂实际吊车梁一般都是低应力高循环次数（50年应力循环次数近一千万次），所以，经过TIG重熔后吊车梁圆弧处的疲劳性能可以得到明显改善。

图1 原状焊缝和TIG重熔试件疲劳试验结果

疲劳后再TIG重熔试件的疲劳试验，是原状焊缝接头试件先进行一定次数的疲劳试验，TIG重熔后再进行试验至试件断裂。TIG重熔前的疲劳次数根据原状焊缝试件的试验结果确定，在试验过程中，定时在焊趾处涂以颜色并记录下应力循环次数，根据断口上颜色的痕迹确定最早出现裂缝的次数。根据统计结果，出现裂缝时的应力循环次数约为拉断时的0.7倍，将拉断时的应力循环次数乘以0.7，经过回归分析后减去两倍标准差即得到对应不同应力幅的次数，以此作为TIG重熔前的应力循环次数。

图2 TIG重熔和疲劳后再TIG重熔试件的疲劳试验结果

TIG重熔试件和疲劳后再TIG重熔试件的疲劳试验结果如图2所示，图中的两条线为TIG重熔试件的回归统计结果，实线为平均值，虚线表示具有97%保证率的置信下限。对于疲劳后再TIG重熔的试件，应力循环次数为TIG重熔前和重熔后的总次数。从图上对比可以看出，两种试件的试验结果差别不大。说明吊车梁圆弧处焊缝不必刨掉重焊，直接TIG重熔就可提高疲劳强度。

除了未断的试件，其余试件均断于焊趾处，如图3所示，这说明在焊趾处做TIG重熔是改善疲劳性能的关键所在。试验中有一试件重熔后的疲劳寿命很短，检查断口发现，重熔前已出现深度约为5mm的裂缝，而重熔深度约为2mm，在此情况下TIG重熔不起作用。此试件的结果未做统计。这也表明，对已出现裂缝的焊缝，应刨掉重焊。

图3 试件断口

5 加固方案的优化

根据疲劳试验结果，同时考虑试验条件与实际条件的差别，通过计算分析对原加固方案进行了优化。在不降低吊车梁圆弧处综合疲劳性能的情况下，通过采用TIG重熔技术，原40mm厚的加固板减为28mm厚，原32mm厚的加固板减为22mm厚，厚度减小约30%。由于焊缝截面积约与板厚的平方成正比，所以板厚降低30%就意味着焊缝体积约降低50%。原加固方案要求对原焊缝都要刨掉重焊，现改为仅对出现裂缝的焊缝要刨掉重焊，对未出现裂缝的焊缝，TIG重熔后不需刨掉重焊。TIG重熔是仅对焊趾表面进行一次处理，工作量不是很大。采用TIG重熔技术后，加固工作大为简化，使工期要求得以满足。

6 总结

炼钢厂吊车梁因疲劳强度不足而进行的补强加固工作中，采用TIG重熔技术有效地改善了圆弧支座连接焊缝处的疲劳性能，在保证疲劳强度满足要求的情况下，减小了加固板厚度，避免了大量原有焊缝的刨掉重焊，最大限度地减少了对生产的影响，取得了很高的经济效益。

撰稿|杨建平

编辑|于英俊

校对|王玲