自動(dòng)扶梯桁架焊接變形控制與火焰矯正措施

□ 張 書 □ 杜相鋒 □ 夏龍軍

1．中山職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子信息工程系 廣東中山 528404

2．蒂森克虜伯扶梯（中國）有限公司 廣東中山 528437

自動(dòng)扶梯是一種大型的特種設(shè)備，其桁架部分則是自動(dòng)扶梯的基礎(chǔ)構(gòu)件，起著連接建筑物兩個(gè)不同高度地面、承載各種載荷及安裝支撐所有零部件的作用，是關(guān)系自動(dòng)扶梯整體壽命及安全運(yùn)行的關(guān)鍵所在［1］。自動(dòng)扶梯的桁架一般多采用型材，以焊接的形式來完成，如槽鋼、角鋼等。型材在焊接過程中需要經(jīng)過一系列的加熱、冷卻，必然會(huì)產(chǎn)生變形，影響裝配精度，降低桁架整體結(jié)構(gòu)承載力。本文分析產(chǎn)生自動(dòng)扶梯桁架焊接變形的原因，提出控制措施，同時(shí)對(duì)不可避免而產(chǎn)生的焊接變形采取火焰矯正方法，以保證自動(dòng)扶梯制造、安裝對(duì)桁架質(zhì)量的要求。

1 自動(dòng)扶梯桁架結(jié)構(gòu)

自動(dòng)扶梯的桁架是由型材連接而組成的一個(gè)箱形、敞開型的結(jié)構(gòu)，其側(cè)面視圖如圖1所示，表示桁架的一段，雖然桁架的各段尺寸不同，但結(jié)構(gòu)形式和基本尺寸相同，自動(dòng)扶梯桁架正面視圖如圖2所示。上弦桿和下弦桿由立柱連接，桁架左單側(cè)和右單側(cè)由中間橫梁和底部橫梁連接，下部封有較薄的防漏油底板，同側(cè)的每兩根立柱之間連接一根斜梁，拐角處有加強(qiáng)板，起到增大強(qiáng)度的作用。上、下弦桿采用角鋼，上弦桿尺寸一般有L125*80*12、L125*125*12等，下弦桿尺寸一般有L100*63*6、L100*100*10等；立柱、橫梁、斜梁采用槽鋼，尺寸有U63、U80、U100等幾種。

自動(dòng)扶梯的組裝大致分為兩種方法。（1）放樣法：利用較大的工裝平臺(tái)，將扶梯桁架的左單側(cè)或右單側(cè)按圖紙要求放樣在工裝平臺(tái)上，將上弦桿、下弦桿、立柱、斜梁及其它配件擺在工裝上，通過焊接形成，然后將左右單側(cè)組合形成自動(dòng)扶梯桁架。（2）組合法：先將上段、下段、中間段分開加工，然后將上段、中間段、下段拼接在一起。

蒂森克虜伯扶梯多采用第二種方法，原因是生產(chǎn)效率高，可將技術(shù)難度分解在不同的崗位上，且可任意角度拼接，對(duì)不同型號(hào)的桁架都可以生產(chǎn)。

2 自動(dòng)扶梯桁架變形的種類及原因

焊接變形是鋼構(gòu)件在未受荷載前，由于施焊電弧高溫引起的變形。焊接變形主要包括收縮變形、角變形、彎曲變形、波浪變形、扭曲變形［2］。針對(duì)自動(dòng)扶梯桁架，主要的變形和變形原因如下。

2.1 焊接收縮變形

焊接后，桁架底板和下弦桿的焊縫收縮，是桁架主要的收縮變形，因?yàn)殍旒艿装搴拖孪覘U的焊縫長度較長，最短2m，最長15m，焊縫的縱向收縮，導(dǎo)致桁架長度縮短。上下段抗扭支架分段焊縫的縱向收縮也導(dǎo)致上下段長度縮短；斜梁、立柱和弦桿角焊縫的橫向收縮，也導(dǎo)致桁架上下段、中間段長度縮短。

當(dāng)桁架的上段、下段、中段分別焊接完成后，進(jìn)入拼接工序，接頭處焊縫的間隙過大，焊接收縮變形也加大，將對(duì)自動(dòng)扶梯桁架的總體長度尺寸產(chǎn)生一定量的收縮。

2.2 角變形

從自動(dòng)扶梯桁架結(jié)構(gòu)圖來看，大部分焊縫以T型接頭形成，所以大部分為角焊縫，焊接后導(dǎo)致桁架產(chǎn)生角變形，給自動(dòng)扶梯裝配帶來難度。

▲圖1 自動(dòng)扶梯桁架側(cè)面視圖

▲圖2 自動(dòng)扶梯桁架正面視圖

2.3 彎曲變型［3］

桁架上下段、中間段的下弦桿和底板自動(dòng)焊焊縫的縱向收縮，導(dǎo)致桁架的上拱彎曲變形。桁架焊縫的結(jié)構(gòu)大多數(shù)都集中于一側(cè)，導(dǎo)致桁架單側(cè)的彎曲變形。由于桁架采用角鋼結(jié)構(gòu)，并且是開放式的結(jié)構(gòu)，剛性差，所以抵抗彎曲變形的能力較差。

2.4 波浪變形

桁架底板四個(gè)面都有較長的焊縫，最短的長度約1m，最大的長度約20m，產(chǎn)生較大的焊接變形（縱向、橫向收縮），底板厚度只有3mm，剛性差，使桁架底板產(chǎn)生一定的波浪變形。嚴(yán)重時(shí)，影響自動(dòng)扶梯的外裝飾面及顧客的可視度。

2.5 扭曲變形

桁架在拼接時(shí)，必須保證裝配所需要的長度、角度、水平、中線對(duì)稱等尺寸。因此，桁架的上段與中間段、下段與中間段在拼接時(shí)存在強(qiáng)行裝配，焊接后由于應(yīng)力釋放，導(dǎo)致桁架出現(xiàn)扭曲變形。

桁架各部件的殘余變形，給裝配帶來困難，進(jìn)而影響后續(xù)的焊接質(zhì)量。對(duì)于過大的焊接殘余變形還要進(jìn)行矯正，無形中增加了制造成本。因此，在實(shí)際生產(chǎn)中，必須設(shè)法將焊接變形控制在技術(shù)要求所允許的范圍之內(nèi)。

3 自動(dòng)扶梯桁架焊接變形控制措施

3.1 設(shè)計(jì)措施

選擇合理的焊縫形狀和尺寸，主要做到以下兩點(diǎn)。

（1）根據(jù)型材厚度，選擇工藝上允許的最小焊縫尺寸［4］。焊縫尺寸是影響桁架焊接變形量的關(guān)鍵因素，焊縫尺寸大，不僅焊接工作量大，焊接變形也大。因此，在保證桁架結(jié)構(gòu)有足夠承載能力的前提下，應(yīng)采用最小的焊縫尺寸，尤其是角焊縫尺寸。同時(shí)焊縫尺寸也不能太小，焊縫尺寸越小，冷卻速度越快，容易產(chǎn)生裂紋、焊縫局部區(qū)域硬度過高等焊接缺陷；在實(shí)踐中，應(yīng)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)型材厚度，選取工藝上允許的最小焊縫尺寸。

（2）盡量采用雙面焊縫的設(shè)計(jì)。如果相鄰焊縫過近或過于集中，容易產(chǎn)生焊接應(yīng)力和局部剛性。因此焊縫要數(shù)量合理，布置均勻，盡可能將焊縫對(duì)稱于中心軸線分布，采用雙面焊縫設(shè)計(jì)，使焊縫引起的撓曲變形相互抵消。

3.2 工藝措施

（1）選擇合適的焊接工藝參數(shù)。首先預(yù)設(shè)幾組工藝參數(shù)，用每組工藝參數(shù)分別焊接，然后從焊縫的外觀、強(qiáng)度、缺陷等方面進(jìn)行質(zhì)量評(píng)定，再根據(jù)評(píng)定結(jié)論確定焊接參數(shù)值，形成規(guī)范的焊接參數(shù)工藝文件，如電源的種類、焊絲的直徑、焊接電流、電壓、焊接速度等焊接參數(shù)要嚴(yán)格執(zhí)行焊接工藝規(guī)程。工藝參數(shù)的選擇根據(jù)桁架所用型材材質(zhì)、厚度來確定，隨著材料厚度的增加，焊接電流也應(yīng)增大。焊接速度要適中，材料越厚，焊接電流越大，焊接速度要稍慢。在條件具備的情況下，逐步提高焊接的自動(dòng)化水平，采用焊接機(jī)器人等自動(dòng)焊接方法，提高焊接效率，減少焊接變形。

（2）針對(duì)中間段焊縫長度很長，選擇合理的焊接順序。焊接順序?qū)附幼冃蔚挠绊戄^為顯著，焊接順序合理，焊接變形可以通過自由收縮互相抵消；焊接順序不合理，焊接變形將相互疊加。一般情況下，改變焊接順序可以改變殘余應(yīng)力的分布及應(yīng)力狀態(tài)，減少焊接變形［5］。焊接時(shí)，先把桁架置于焊接平臺(tái)上，用專用夾具固定好，對(duì)連續(xù)的長焊縫進(jìn)行點(diǎn)焊點(diǎn)固，然后進(jìn)行加焊，加焊時(shí)注意如下事項(xiàng)，以便將焊縫引起的變形相互抵消。

①如圖3所示，采用分散跳焊，每段長度最長不超過3m。

②中間段下弦桿和底板自動(dòng)焊的焊縫應(yīng)在立柱位置截止，原因是中間段在靠近上下段空檔位置處沒有支撐，剛性差，焊接會(huì)導(dǎo)致弦桿焊接后彎曲。

③自動(dòng)焊時(shí)兩臺(tái)焊機(jī)設(shè)定同樣的焊接參數(shù)，如電流、電壓、送絲速度、行走速度等，并向同一個(gè)方向焊接。

④為減小結(jié)構(gòu)上剛性較差導(dǎo)致的焊接變形，在沒有橫梁的位置增加工藝用斜梁，連接上下弦桿，以增加剛性。

（3）利用工裝夾具的剛性固定法，焊接完成冷卻后，再取出焊胎。剛性固定組裝法是采用夾具或剛性胎具將被焊構(gòu)件盡可能地固定，可有效地控制待焊構(gòu)件的角變形與彎曲變形等。通過設(shè)計(jì)桁架定位和固定夾具，可將桁架固定以限制焊接變形，裝夾力越大，變形越小，在保證桁架承載能力前提下，選取合理的裝夾力，可最大限度地減少焊接變形。

（4）反變形法，留余量，可有效地減少焊接變形。事先根據(jù)經(jīng)驗(yàn)或估算出桁架焊接變形的大小和方向，在焊接裝配時(shí)施加一個(gè)相反的變形來抵消焊接變形。

▲圖3 焊接順序

4 自動(dòng)扶梯桁架成型后的矯正

由于焊接過程的特點(diǎn)和桁架焊接工藝的復(fù)雜性，決定了焊接變形是不可避免的，所以必須對(duì)焊接后桁架產(chǎn)生的變形進(jìn)行矯正。常用的焊接變形矯正方法有3種，包括手工矯正法、機(jī)械矯正法和火焰加熱矯正法［6］。利用火焰對(duì)焊件進(jìn)行局部加熱時(shí)產(chǎn)生的塑性變形，使較長的金屬在冷卻后收縮，以達(dá)到矯正變形的目的稱為火焰加熱矯正法，蒂森克虜伯扶梯多采用火焰加熱矯正方法。

4．1 火焰加熱矯正方法

火焰矯正具體有3種方法：線狀加熱法、點(diǎn)狀加熱法、三角形加熱法。決定火焰矯正效果的因素主要是火焰加熱的位置和火焰的能量［7］。表1是桁架材料為低碳鋼時(shí)對(duì)應(yīng)的火焰加熱矯正的加熱溫度。

表1 火焰加熱矯正加熱溫度

4．2 火焰加熱矯正的工藝順序

1）用精度為0．3mm的水平儀找正桁架上段、下段、中間段的水平，把各段的水平度調(diào)整到誤差范圍之內(nèi)。

2）根據(jù)自動(dòng)扶梯安裝圖紙確定桁架的中線位置（掛中線），做好尺寸標(biāo)記，如圖4所示。

▲圖4 桁架掛中線

3）檢測桁架左右單側(cè)對(duì)中線偏差，并火焰矯正。

利用中線錐及鋼卷尺對(duì)桁架底部（下弦桿）進(jìn)行分中測量。如果對(duì)稱尺寸有偏差，就需要進(jìn)行一次火焰矯正。如此反復(fù)矯正，直到偏差控制在允許的誤差范圍之內(nèi)。

（1）如果桁架底部右單側(cè)對(duì)中線尺寸偏大。

①加熱用火焰采用氧乙炔焰，火焰性質(zhì)為中性焰，對(duì)桁架右單側(cè)的下弦桿外部進(jìn)行加熱；

②采用點(diǎn)狀加熱法，點(diǎn)的直徑30～50mm，溫度為600～700℃，采取自然冷卻方式；

③根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，一般情況下加熱一個(gè)點(diǎn)，桁架下弦桿中線會(huì)往里偏1mm；

④選擇新的加熱點(diǎn)繼續(xù)找正右單側(cè)的偏差，每兩個(gè)加熱點(diǎn)的距離應(yīng)該保持在200mm以上，直到偏差符合要求為止。

（2）如果桁架左側(cè)上弦桿相對(duì)于中線尺寸偏小。

①對(duì)桁架立柱橫梁以上100mm以內(nèi)的內(nèi)側(cè)進(jìn)行加熱；

②加熱面積為 20～30mm2， 加熱溫度為 500～600℃，自然冷卻。

利用熱脹冷縮的原理，使加熱區(qū)的鋼材產(chǎn)生塑性變形，以達(dá)到尺寸裝配要求。加熱一個(gè)立柱可減小中線誤差1～2mm，以此類推。

如果右側(cè)上弦桿相對(duì)于中線尺寸偏小，就對(duì)立柱橫梁以上外側(cè)加熱，加熱面積、溫度與上述方法相同。

（3）如果桁架整體上拱（彎曲變形），直線度不符合要求。

①對(duì)桁架左右上弦桿的中部上拱的位置進(jìn)行線狀加熱；

②加熱寬度為15mm，加熱溫度為600～700℃，采取自然冷卻方式。

采用如上方法，可使桁架中間段上拱位置縮小20 mm。

4）按照上述矯正工藝依次矯正桁架各部分，直到桁架底部中線的左右尺寸與上部中線的左右尺寸滿足要求，直線度控制在一定范圍時(shí)，矯正結(jié)束。

5 結(jié)束語

通過對(duì)自動(dòng)扶梯桁架焊接變形的原因進(jìn)行分析，闡述影響焊接變形的主要因素，從設(shè)計(jì)和工藝角度采取合理的控制措施，并對(duì)不可避免產(chǎn)生的焊接變形采用火焰加熱矯正方法，對(duì)自動(dòng)扶梯桁架的生產(chǎn)效率、質(zhì)量、產(chǎn)量的提升奠定了一個(gè)良好的基礎(chǔ)。

［1］ 賀德明，肖偉平．電梯結(jié)構(gòu)與原理［M］．廣州：中山大學(xué)出版社，2009．

［2］ 鄧洪軍．焊接結(jié)構(gòu)生產(chǎn)［M］．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011．

［3］ 吳戰(zhàn)國，李洪雷，王升超．自動(dòng)扶梯桁架焊接變形分析與控制糾正［J］．中國工程機(jī)械學(xué)報(bào)，2011，9（3）：337-341．

［4］ 付朝學(xué)．大跨度扶梯桁架焊接變形分析及控制［J］．裝備制造，2010（4）：155．

［5］ 王瑞．焊接變形的影響因素與控制［J］．科技致富向?qū)В?010（33）．

［6］ 徐峰．焊接工藝簡明手冊(cè)［M］．上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，2009．

［7］ 白琴．鋼結(jié)構(gòu)變形的火焰矯正溫度［J］．焊接，2005，49（7）：44-45．