淺析起重機(jī)械結(jié)構(gòu)焊接變形的因素及控制

王健

（江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院江陰分院，江蘇 江陰 214431）

淺析起重機(jī)械結(jié)構(gòu)焊接變形的因素及控制

王健

（江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院江陰分院，江蘇 江陰 214431）

起重機(jī)械是現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)不可缺少的設(shè)備，而橋架型起重機(jī)械目前使用最為廣泛的起重機(jī)械之一，其焊接變形也是起重機(jī)制造中的一個(gè)難題。本文主要分析和研究了起重機(jī)械結(jié)構(gòu)焊接變形的因素及控制，進(jìn)而能找到焊接變形的有效控制方法。

起重機(jī)械；焊接變形；控制矯正

起重機(jī)械是現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)不可缺少的設(shè)備，被廣泛地應(yīng)用于各種重工業(yè)領(lǐng)域。起重機(jī)械制造的安全性被作為重要指標(biāo)所體現(xiàn)。起重機(jī)械的機(jī)構(gòu)零件、金屬結(jié)構(gòu)、聯(lián)接件和附件大都由件數(shù)材料加工而成。

目前，國(guó)內(nèi)起重機(jī)械的金屬結(jié)構(gòu)材料主要是鋼材，常用的材料是普通碳素鋼Q235，有時(shí)需減輕其設(shè)備本身的自重，也可采用16Mn或15MnTi。起重機(jī)械主要結(jié)構(gòu)不外乎橋架類、門架類、臂架類和塔架類。橋架類的主要受力構(gòu)件為主梁，而門架類的主要受力構(gòu)件為主梁和支腿。而橋架類和門架類起重機(jī)械的金屬結(jié)構(gòu)聯(lián)接方式主要為焊接和螺紋聯(lián)接，尤其是起重機(jī)械的主要受力構(gòu)件目前采用焊接方式加工為主。換言之，起重機(jī)械結(jié)構(gòu)焊接變形控制，也就是鋼結(jié)構(gòu)焊接變形的控制。本文主要以橋架型起重機(jī)械為主。

1　起重機(jī)械焊接變形的主要作用因素

1.1材料因素的影響

材料對(duì)焊接變形的影響除焊接材料之外，和母材也有很大的關(guān)系，材料的力學(xué)性能參數(shù)和熱物理性質(zhì)參數(shù)對(duì)焊接變形過程有非常重要的影響。起重機(jī)械雖然常用材料為普通碳素鋼Q235，但對(duì)于其工作級(jí)別和使用環(huán)境的不同，其所用Q235也有所不同。

1.2結(jié)構(gòu)因素的影響

焊接結(jié)構(gòu)的焊接變形設(shè)計(jì)，是最關(guān)鍵的影響因素，也是最復(fù)雜的因素之一。結(jié)構(gòu)焊接變形的過程中，由于工件本身的限度是不斷變化的，因此會(huì)受到自身為變拘束結(jié)構(gòu)和外加拘束結(jié)構(gòu)的影響。起重機(jī)械的焊接變形主要影響因素是其結(jié)構(gòu)，橋架類和門架類中的主要受力構(gòu)件——主梁，就目前來講，主要是為箱形梁結(jié)構(gòu)。箱形主梁主要由蓋板、腹板和筋板組成的Π形梁。

1.3工藝因素的影響

焊接變形是受焊接技術(shù)影響的，其在許多方面，如焊接預(yù)處理、焊接方法、焊接電壓、輸入電流、焊接順序的定位或固定方法，焊接夾具及固定裝置的應(yīng)用等各方面。

起重機(jī)械的鋼材一定要進(jìn)行必要的預(yù)處理。鋼材表面通常有一層氧化皮，它是鋼材在軋制過程中高溫高壓下與空氣接觸產(chǎn)生的氧化物，呈灰黑色，覆蓋于鋼材表面，在進(jìn)行除銹噴丸等預(yù)處理的同時(shí)，還要進(jìn)行防銹處理。目前起重機(jī)械箱形梁的主要焊接方法是工人手工焊接，也有一部分大型企業(yè)采用機(jī)器人焊接。

現(xiàn)在主梁起重機(jī)械制造專業(yè)企業(yè)在我國(guó)整體裝配焊接主要采用以下方法：

1.3.1在船形位置的埋弧自動(dòng)焊

該方法使用普遍,有良好的焊縫。所謂船形位置,它使用45°的提升將箱形梁的位置放到一個(gè)船形，然后使用自動(dòng)埋弧焊焊接。采用了特殊的箱形梁焊接機(jī)跟蹤和工作臺(tái)，焊接箱形梁的支持可以調(diào)整升降架的高度。

1.3.2用固定氣體用以保護(hù)焊機(jī)焊接

通常采用平角焊方法焊件上的梁是由運(yùn)行小車運(yùn)行。運(yùn)行通過一個(gè)小型汽車與焊件完成焊接，焊接機(jī)轉(zhuǎn)換成固定。富氬混合氣體保護(hù)焊焊接角焊縫成形好、飛濺小、高效，焊接方法是最好的，效率也最高。

1.3.3氣體保護(hù)焊自動(dòng)焊接小車焊接

主梁平面、腹板在一個(gè)水平位置，目標(biāo)氣體保護(hù)焊車焊縫?？刹捎帽匾幕旌蠚怏w保護(hù)焊或二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊，焊縫質(zhì)量好，生產(chǎn)效率好，使用簡(jiǎn)單，不需要其他輔助設(shè)備。常用的有H-8型自動(dòng)焊接小車。

此外，主梁的焊接次序也是值得探討的。一般對(duì)拱度偏小的要盡可能的先焊接下蓋板與腹板的焊縫；拱度偏大的應(yīng)先焊接上蓋板與腹板的焊縫。

2　起重機(jī)械焊接變形的控制

2.1設(shè)計(jì)措施

2.1.1焊接尺寸和形式有必要進(jìn)行合理的選擇

焊接工作量和焊接變形的大小直接取決于焊接尺寸。因此，保證結(jié)構(gòu)承載力的情況下，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該使用盡可能小的焊縫尺寸。對(duì)于受力較大的丁字接頭和交叉，開坡口焊縫要比一般角焊縫減少焊縫金屬，前提是在保證相同的強(qiáng)度條件下，這對(duì)減小變形有利。橋架型起重機(jī)械主要受力構(gòu)件為箱形主梁，而主梁主要有蓋板、腹板拼接而成。蓋板、腹板拼接時(shí)必須要先拼接寬度，然后再拼接長(zhǎng)度。板件接寬時(shí)，焊接縱向焊縫后出現(xiàn)角變形，可以用平板矯正機(jī)平直。

選擇合適的焊接方向也非常重要。在直線型板件的拼長(zhǎng)對(duì)接時(shí)，翻個(gè)清根焊接第二面的方向要和焊第一面的方向相反。有拱度的板件如主梁的腹板，也應(yīng)該采用上述的焊接方法，才能做到不改變預(yù)定的腹板下料拱度曲線。

2.1.2對(duì)沒必要的焊縫，要盡可能的減少

在焊接結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，合理選擇加筋板的形狀，妥善安排加筋板的位置，力求焊縫數(shù)量少，避免不必要的焊接，以減少焊接變形。梁起重機(jī)械的主要壓力組件覆蓋板和腹板拼接通常采用不同長(zhǎng)度的鋼材、長(zhǎng)鋼板應(yīng)布置在短鋼板的兩端對(duì)稱排列。所以要能盡量減少連接器，最好使用軋制鋼板，同時(shí)，應(yīng)該使用開卷矯直機(jī)矯直時(shí)使用。

2.1.3焊縫位置應(yīng)該做到合理安排

在設(shè)計(jì)焊接結(jié)構(gòu)時(shí)，為了減少梁、柱等類型結(jié)構(gòu)的撓曲變形，要盡可能對(duì)稱于截面中性軸，或者使焊縫接近中性軸，這能達(dá)到良好的效果。起重機(jī)械主梁機(jī)構(gòu)中的蓋板和腹板之間的拼接也需要合理地安排焊縫位置。為保證主梁的承載能力，從設(shè)計(jì)上要考慮到安全系數(shù)，從工藝上要考慮到蓋板與腹板的接頭不要設(shè)計(jì)在同一截面上，盡可能的錯(cuò)開距離不得小于200 mm。

2.2工藝措施

工藝措施是焊接結(jié)構(gòu)制造過程采取的一系列措施，它可以分為焊前預(yù)防措施，焊接過程中的控制措施。

對(duì)焊前的必要預(yù)防措施如下。

焊前預(yù)防主要包括預(yù)應(yīng)力和剛性固定組裝法。

預(yù)應(yīng)力法是基于預(yù)測(cè)焊接變形的方向及其大小的，待焊工件的裝配和焊接殘余變形時(shí)造成相反的方向從尺寸、預(yù)變形(變形)，抵消了預(yù)焊后變形焊接殘余變形，恢復(fù)工件的大小和形狀的設(shè)計(jì)要求。剛性固定裝配的方法主要是采用夾具或者剛性夾具將盡可能固定焊接組件，這樣可以有效地控制焊接角變形和彎曲變形的組件，等等。

起重機(jī)械主梁腹板的下料就是采用預(yù)應(yīng)力法的一種典型代表。起重機(jī)械要求主梁成拱，而主梁成拱最常用的方法是腹板下料成拱法。此外預(yù)應(yīng)力法中的預(yù)應(yīng)力鋼筋張拉法和預(yù)應(yīng)力鋼絲繩張拉法也可以預(yù)防和矯正起重機(jī)械橋架的焊接變形。

3　起重機(jī)械焊接變形的矯正

在組件焊接之后，只能通過糾正措施來減少或者消除殘余變形的發(fā)生。焊后矯正措施主要分為加熱、預(yù)應(yīng)力和機(jī)械校正法校正方法。加熱矯正其主要是分為整體和局部加熱。

整體熱矯正可以用來消除較大的形狀偏差，其主要是指將整體構(gòu)件加熱至鍛造溫度以上再進(jìn)行矯正的方法，不過焊后整體加熱有其不可避免的限制因素，那就是極易引起冶金方面的副作用。

局部熱矯正采用的方法是其直火焰局部加熱，焊接結(jié)構(gòu)在高溫下，材料的熱膨脹受到組件本身是剛性的，產(chǎn)生局部壓縮變形，冷卻后收縮，抵消部分焊接變形后的伸長(zhǎng)，達(dá)到校正，使用通用焊槍火焰加熱法，所以不需要特殊設(shè)備，方法簡(jiǎn)單、靈活，越來越廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)。

此外，還有靜力加壓矯直法、焊縫滾壓法、錘擊法等，這些大都是利用機(jī)械力或者沖擊能等進(jìn)行焊接變形矯正。

4　結(jié)論

橋架型起重機(jī)械目前使用最為廣泛的起重機(jī)械之一，其焊接變形也是起重機(jī)制造中的一個(gè)難題。綜合上述分析，我們可以看出普通橋架型起重機(jī)械的焊接變形，和通常鋼結(jié)構(gòu)焊接變形及其類似。那么，針對(duì)鋼結(jié)構(gòu)焊接變形的各種因素，再結(jié)合橋架型起重機(jī)械的自身特點(diǎn)，通過選擇合理的焊接順序和工藝參數(shù)，來有效地控制橋架型起重機(jī)械的焊接變形，減少焊接變形所帶來的各種危害。

[1] 徐超.隅撐支撐鋼框架結(jié)構(gòu)抗震性能分析[D].內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)，2013.

R197.39

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1671-0711（2016）09（上）-0052-02