鋼閘門焊接變形控制及火焰矯正

(葛洲壩集團第二工程有限公司，成都，610091)

1 焊接變形定義及變形原因

1.1 焊接變形的定義

在焊接過程中，焊縫金屬和母材的冷熱循環(huán)所引起的膨脹和收縮稱之為焊接變形。焊接變形包括縮短、角度改變及彎曲變形。

1.2 焊接變形產(chǎn)生的原因

1.2.1 鋼板冷熱變形產(chǎn)生的原因

以圖1一組鋼板冷熱變化時產(chǎn)生的變形為例。均勻加熱鋼板時，鋼板向各個方向均勻膨脹(見圖1a)，當鋼板冷卻至室溫時，也是均勻收縮并恢復至原始尺寸。如果鋼板在加熱時給予剛性約束(見圖1b)，兩個側邊就不會產(chǎn)生變形。但是，加熱時鋼板一定會膨脹，所以只能在無約束的垂直方向膨脹(厚度方向)，從而使鋼板變得更厚。同樣，當鋼板溫度降至室溫時，也將在各方向上收縮(見圖1c)，這樣工件就發(fā)生了永久性彎曲或扭曲變形。

1.2.2 焊接變形原因

1.2.2.1 焊接熱應力變形。工件在焊接過程中，對金屬材料是一種不均勻的加熱和冷卻。焊接時，加熱的熱源是移動的高溫電弧，焊縫和熱影響區(qū)金屬溫度很高，金屬受熱膨脹，但又受到常溫金屬的阻礙和抑制，便產(chǎn)生了壓縮塑性變形。結構件的焊接變形程度與施焊時熱源的輸入能量成正比。

圖1 加熱鋼板變形示意

1.2.2.2 殘余應力變形。殘余應力主要為焊接殘余應力，當工件某一部位施焊結束后，其焊縫金屬由膨脹轉為收縮，但其又受到常溫金屬的限制，這時便產(chǎn)生了焊接殘余應力。焊縫中的殘余應力引起了焊接變形。

因此在焊接過程中，焊接變形無法避免，只能通過有效的焊接將焊接變形控制在一定的范圍內。

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2 影響焊接變形的因素及控制方法

影響焊接變形的主要因素為焊接過程中金屬的膨脹及焊接后金屬的收縮。在鋼閘門焊接中，焊接變形的種類主要有：縱向收縮和橫向收縮、角變形、彎曲變形、波浪變形及扭曲變形。

本工程鋼閘門為沖沙孔進水口事故閘門，閘門類型為平面定輪門。閘門的總體尺寸為8.0m(寬)×9.8m(高)×1.38m(厚度)，閘門總重為13.6t，共分為4節(jié)。閘門鋼板選用Q345B材料，主要鋼板厚度分別為24mm、30mm、36mm。在閘門焊接中控制變形的主要措施如下。

2.1 減少焊接量

焊接變形歸根到底是由焊接熱輸入引起的，減少焊接輸入熱量才能從根本上防止焊接變形。但減少焊接量并不以犧牲焊接強度為代價，是指在滿足焊接強度的前提下盡可能的少焊接和不焊接，具體措施如下：

(1)閘門面板共分為4節(jié)，每節(jié)面板尺寸為2.48m×8m，根據(jù)面板尺寸采購鋼板，直接采購2.5m×8m的鋼板，這樣就避免了面板上設計焊縫，有效減少焊接變形；

(2)在坡口的制備中，應嚴格控制坡口開制精度，避免過大坡口而增加焊接填充量；

(3)采用粗焊絲、少焊道焊接工藝。多焊道時，每一焊道引起的收縮累計增加了焊縫總的收縮。36mm鋼板的對接焊縫坡口為不對稱"X"型坡口，坡口角度為60°，焊條選用φ4.0mm焊條。焊道形式見圖2。但采用粗焊絲、少焊道焊接或細焊絲、多焊道焊接工藝依據(jù)材質而定，一般低碳鋼、Q345等材質適用粗焊絲、少焊道焊接，不銹鋼、高碳鋼等材質適用細焊絲、多焊道焊接。

2.2 控制焊接順序

圖2 δ36鋼板對接焊縫焊道形式示意

采用逆向分段焊接控制焊接順序。是指總焊接方向從左到右，而分段焊方向每段從右到左(見圖3)。每個焊段分割進行，受熱部分膨脹，分段從A端焊向B端，但是，膨脹逆向沿著兩塊鋼板的外沿CD擴散。在閘門面板整體水密封焊接中，采用此種辦法，在很大程度上降低了焊接的變形量。

圖3 逆向分段焊接示意

2.3 反變形法控制焊接變形

圖4 反變形法控制焊接變形示意

2.4 消除殘余應力控制焊接變形

焊接變形是由焊接應力產(chǎn)生，因此消除焊接應力就可有效減少焊接變形。

2.4.1 敲擊法。敲擊是抵消焊縫收縮力的一種方法，如同焊縫冷卻。敲擊將使焊縫延伸，變得更薄，從而消除應力。但是，使用這種方法必須注意，焊縫根部不能敲擊，敲擊時可能產(chǎn)生裂紋，通常敲擊也不能用在蓋面焊道上。敲擊法主要用于多層多道焊接中，在中間層道焊接完成后進行適當敲擊。

2.4.2 熱處理。主要包括焊縫前預熱及焊后熱處理。焊縫預熱及后熱處理可以減小接頭焊后的冷卻速度，避免產(chǎn)生淬硬組織，減小焊接應力及變形。在鋼閘門制造中，鋼板較厚且應力集中較大的部位如主梁的端部和端板，在焊接后需采用熱處理工藝措施，以消除焊接內應力。采用的熱處理方法是用遠紅外履帶式電熱板加熱，硅酸鹽針刺棉保溫，熱電板和智能型程序溫度控制箱記錄加熱、保溫、冷卻的過程。加熱速度50%，580℃～620℃保溫2h～3h，冷卻速率80%，當工件溫度下降到300℃以下時可以空氣冷卻。

3 鋼閘門焊接變形火焰矯正

由于焊接變形不可避免，因此針對焊接變形必須采取有效的方法來矯正。焊接變形矯正常用的方法主要有：機械矯正和火焰矯正。本文對機械矯正不予詳細闡述，重點分析火焰矯正。對于閘門焊接完成后的主梁及面板，火焰矯正對因焊接受熱而產(chǎn)生的凸凹變形矯正有著顯著的效果。

3.1 火焰矯正原理

火焰矯正的基本原理，是利用加熱后的溫度應力使板材內部纖維產(chǎn)生與變形相反的收縮，使構件的變形得到矯正。根據(jù)金屬熱脹冷縮的物理性能，當鋼材受熱時將會以1.2×10-5℃的線膨脹率向各個方向伸長，當冷卻到原來溫度時，除收縮到未加熱時的長度外，鋼材還將會繼續(xù)按1.48×10-6℃的收縮率繼續(xù)收縮一部分，于是導致收縮后的長度比加熱前有所縮短。因而通過對變形的凸面處適當位置進行火焰加熱升溫，利用冷卻時產(chǎn)生的內部強大的冷縮應力，促使材料內部纖維受拉產(chǎn)生塑性收縮，從而矯正變形。

3.2 鋼閘門焊接變形常用的矯正方法

3.2.1 點狀加熱矯正法。此法主要用于鋼閘門主梁及邊梁腹板的局部彎曲凹凸不平變形和一些薄板的變形。點狀加熱即加熱點為圓形，大小與需矯正的板料厚度有關，板料厚度越大，點的直徑相應也越大，通常按照板厚度的6倍再加上10mm來計算。為了達到良好的矯正效果，加熱點應該成梅花狀布局，外圍點基本上處在同一圓上。這樣當冷卻收縮變形指向中心點，可保證應力的均勻性，防止產(chǎn)生多余的收縮變形影響矯正效果。加熱點布置時，間距應盡量保持均勻一致，并控制在50mm～100mm以內。

3.2.2 線狀加熱矯正法。此法主要用于閘門主梁翼緣板的角變形和彎曲變形。采用線狀矯正法對構件加熱后，板料由于上下兩面存在著較大的溫差，加熱帶長度方向上產(chǎn)生的收縮量較小，橫向收縮量較大，利用加熱帶的橫向收縮而產(chǎn)生的強大拉應力，將由于焊接而造成的翼緣彎曲變形拉平。矯正施工中，加熱帶的寬度應根據(jù)板材的厚度來選取，一般控制在翼緣厚度的0.5～2.0倍之內。使用線狀加熱時，按規(guī)定必須保證紅區(qū)的深度不能超過板厚的一半。

3.2.3 三角形加熱法矯正。此法主要用于閘門制作中工字梁焊接后產(chǎn)生的拱變形和旁彎變形。三角形加熱法加熱面成等腰三角形，加熱面的的高度和底邊寬度一般控制在工字梁高度的1/5～2/3范圍內；加熱位置應處于工字梁凸起的一側，三角形頂部在工件內側并指向變形中心，底邊在工件外側邊緣處。通過對工件凸起處加熱數(shù)處，加熱后收縮量從三角形頂點起沿等腰三角形的兩邊逐漸增大，當冷卻時凸起部分產(chǎn)生收縮使得工件得以矯正。對于工字梁拱變形，需對工字梁拱形上部向翼緣和腹板加熱，通過上部翼緣和腹板的收縮將工字梁拉直；對于工字梁旁變形，則需對工字梁旁彎外側上下翼緣邊處加熱，通過上下翼緣外邊的收縮將鋼工字梁拉直(見圖5)。

圖5 三角形加熱法矯正示意

3.3 影響火焰矯正效果的主要因素

控制矯正效果的主要因素有加熱的溫度、加熱的速度、加熱區(qū)的大小和位置等方面。

3.3.1 加熱溫度對矯正工作的影響。加熱后降溫產(chǎn)生的收縮應力應在材料的彈性極限力和塑性極限力之間，根據(jù)Q345材料力學性能參數(shù)，火焰矯正的加熱溫度選擇應在600℃～800℃之間。并且加熱過程加熱應均勻，不得有過熱、過燒現(xiàn)象，同一加熱點的加熱，次數(shù)不宜超過3次。對于厚度較大的板材，加熱后不能用冷水冷卻，因冷水冷卻導致厚鋼材內部溫差過大而容易產(chǎn)生裂紋。表1為火焰矯正時的加熱溫度及冷卻方式。

表1火焰矯正時的加熱溫度(材質為低碳鋼)

名 稱加熱溫度(℃)冷卻方式低溫矯正500～600水中溫矯正600～700空氣和水高溫矯正700～800空氣

3.3.2 加熱速度對矯正工作的影響。由于鋼材具有良好的導熱性，如果加熱的速度較慢，則會造成構件受熱區(qū)范圍擴大。加熱的速度一般是通過調整火焰的溫度來控制的，溫度若不高，鋼的加熱時間就會延長，使受熱區(qū)范圍擴大，將會達不到良好的矯正效果。因而在實際操作中，需用高溫火焰烤燒加熱部位，使熱量充分集中而快速地使加熱區(qū)達到紅熱狀態(tài)。

3.3.3 加熱區(qū)的大小、位置對矯正的影響。鋼閘門在進行火焰矯正中，對加熱區(qū)的范圍大小需嚴格控制。如果加熱區(qū)過大，則會造成冷縮后變形幅度過大，矯正了原變形后還會產(chǎn)生負變形；過小時又會導致收縮幅度不夠，達不到矯正目的，降低工作效率。實際工作中，加熱區(qū)的大小大多是通過專業(yè)操作人員的經(jīng)驗進行選取的。

4 小結

本文通過對焊接變形定義及原因的分析，明確了在閘門焊接中出現(xiàn)焊接變形的主要因素。根據(jù)影響焊接變形的主要因素，焊接中采取了有效的防變形措施，鋼閘門在焊后的檢測中，焊接變形得到了良好的控制，焊縫一次性合格率100%，產(chǎn)品制作質量優(yōu)良，為今后鋼閘門的制造提供了可借鑒性的經(jīng)驗。