起重機(jī)塔身標(biāo)準(zhǔn)節(jié)焊接變形控制及預(yù)防方法

羅宇德

（廣西建工集團(tuán)建筑機(jī)械制造有限責(zé)任公司，廣西 南寧 530029）

塔式起重機(jī)（以下簡稱塔機(jī)）具有足夠的起升高度、較大的工作效幅度和工作空間，在現(xiàn)代工程建設(shè)中被越來越廣泛地使用。塔機(jī)的主要結(jié)構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)節(jié)需求量大，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了專業(yè)化生產(chǎn)，大量應(yīng)用了專用的生產(chǎn)設(shè)備和工藝工裝，不僅提高了其生產(chǎn)效率，而且有效地保證了塔機(jī)標(biāo)準(zhǔn)的精度要求。該文將對(duì)塔機(jī)片狀標(biāo)準(zhǔn)節(jié)焊接變形的影響因素、控制措施和方法進(jìn)行闡述。

1 片狀標(biāo)準(zhǔn)節(jié)的結(jié)構(gòu)

塔機(jī)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)按照結(jié)構(gòu)形式可分為整體式標(biāo)準(zhǔn)節(jié)和片式標(biāo)準(zhǔn)節(jié)，其中，片式標(biāo)準(zhǔn)節(jié)由四榀獨(dú)立的型鋼架組成，四榀型鋼架通過鉸制孔螺栓連接在一起組成一節(jié)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)；片式標(biāo)準(zhǔn)節(jié)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，結(jié)構(gòu)非對(duì)稱，由厚度不同的型鋼和板材焊接而成，件1、3、4、5為鋼板，其厚度與件6角鋼的翼板厚度相當(dāng)，而件2為角鋼，其厚度要比上述零件要薄一些。

圖1 片狀標(biāo)準(zhǔn)節(jié)

2 片狀標(biāo)準(zhǔn)節(jié)焊接變形分析

2.1 焊接變形產(chǎn)生的原因

片式標(biāo)準(zhǔn)節(jié)在施焊時(shí)，因?yàn)槭芎附訜崃垦杆佥斎攵斐晒ぜ植颗蛎?，所以在?biāo)準(zhǔn)節(jié)內(nèi)部產(chǎn)生焊接內(nèi)應(yīng)力與局部變形；焊縫熔融金屬冷卻時(shí)由液態(tài)轉(zhuǎn)為固態(tài)，此時(shí)會(huì)產(chǎn)生新的晶核和體積收縮。由于焊縫金屬與母材是熔融結(jié)合的，焊縫及臨近焊縫區(qū)溫度已遠(yuǎn)超700℃，因此只需要很小的力就會(huì)讓焊縫周邊鋼材產(chǎn)生塑性變形，同時(shí)在焊縫中引起殘余內(nèi)應(yīng)力。焊接變形的根本原因是標(biāo)準(zhǔn)節(jié)在焊接過程中不均勻加熱和冷卻形成不同的溫度而造成的。

2.2 片狀標(biāo)準(zhǔn)節(jié)焊接變形的分類

焊接變形主要有板平面內(nèi)的變形（橫向收縮、縱向收縮、回轉(zhuǎn)變形）和板平面外的變形（橫向彎曲變形-角變形、縱向彎曲變形、彎曲產(chǎn)生的波浪變形、扭曲變形）。在圖1中，件1、5與件6施焊時(shí)會(huì)產(chǎn)生焊縫的縱向（沿焊縫方向）和橫向（垂直焊縫方向）的收縮變形，以及焊接過程中尚未進(jìn)行焊接部分的坡口加寬或者變窄而引起的回轉(zhuǎn)變形。件2與件1、3、4、5施焊時(shí)，由于V型坡口對(duì)接焊焊縫布置不對(duì)稱，造成焊縫上下橫向收縮量不均勻，因此存在因?qū)雍负缚p布置不對(duì)稱而造成橫向彎曲變形（角變形），以及在堆焊或者角焊時(shí)焊縫偏離工件的中心線而造成縱向彎曲變形；還因存在焊接過程中焊接順序和焊接方向不合理而導(dǎo)致工件扭曲，又稱為螺旋形變形撓曲變形；且件2的厚度比件1、3、4、5薄，焊后構(gòu)件易形成波浪變形。

3 焊接應(yīng)力與變形的形成機(jī)理

焊接應(yīng)力與變形的主要決定因素是焊接時(shí)局部不均勻熱輸入，熱輸入是通過金屬材料因素、焊接接頭的形狀及拘束和制造因素而影響熱源周圍的金屬運(yùn)動(dòng)，最終形成了焊接應(yīng)力與變形。因此，影響焊接應(yīng)力與變形因素主要分為金屬材料因素、焊接接頭的形狀和尺寸、焊接工藝參數(shù)三個(gè)方面。

3.1 金屬材料因素的影響

金屬材料的焊接性能對(duì)焊接變形有很大影響，金屬的化學(xué)成分不同，其焊接性也不同。一般塔機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)用料基本為低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼Q355，綜合性能好，低溫性能好，冷沖壓性能，焊接性能和可切削性能好。

3.2 焊接接頭的形狀和尺寸的影響

標(biāo)準(zhǔn)節(jié)焊接接頭的形狀和尺寸的設(shè)計(jì)對(duì)焊接變形的影響最關(guān)鍵，也最直接。焊接接頭的形狀和尺寸必須考慮結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、材料特性，其中金屬材料具有良好的焊接性；還應(yīng)易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化焊接。標(biāo)準(zhǔn)節(jié)在使用中主要關(guān)注H的寬度以及3、4連接板與7魚尾連接板的空間形位公差，在設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)合理地安排連接板和腹桿的焊縫數(shù)量和大小，因?yàn)樵谕粭l件下，焊縫越小，板件的臨界失穩(wěn)壓應(yīng)力越小，所以要盡量以構(gòu)件截面的中性軸為對(duì)稱軸，焊縫不宜過長、過多、過于集中。在件1、5連接板與件6主角鋼的對(duì)接焊縫設(shè)計(jì)中，應(yīng)采用板件厚度高、焊縫長度短的原則。因此，塔機(jī)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)在設(shè)計(jì)焊接接頭形狀和尺寸時(shí)應(yīng)針對(duì)連接板的厚度、主弦桿及腹桿或帶孔連接板的位置和數(shù)量等進(jìn)行優(yōu)化，以使焊接應(yīng)力與變形產(chǎn)生的量降到最低。

3.3 焊接工藝參數(shù)的影響

焊接工藝參數(shù)的影響主要分為對(duì)焊接方法、焊接接頭形式、焊接層數(shù)的影響。

在標(biāo)準(zhǔn)節(jié)結(jié)構(gòu)焊接中常用的焊接方法為CO氣體保護(hù)焊，在實(shí)際生產(chǎn)中CO氣體保護(hù)焊施焊部位的可見度好，操作方便；CO氣體價(jià)格低，焊接成本低于其他焊接方法；可采用較大的焊接電流，使焊絲熔化速度快，焊接時(shí)無焊渣，生產(chǎn)效率高；CO氣體保護(hù)焊電弧加熱集中，焊件受熱面積小，加上氣流的冷卻作用，可減少焊接應(yīng)力和變形。

實(shí)際生產(chǎn)中CO氣體保護(hù)焊焊絲型號(hào)為ER50-6，焊絲直徑為1.2mm，焊絲應(yīng)符合GB/T8110-2020《氣體保護(hù)電弧焊用碳鋼、低合金鋼焊絲》要求，為得到較好的焊接效果，生產(chǎn)人員要嚴(yán)格執(zhí)行焊接規(guī)程及相應(yīng)的焊接工藝參數(shù)。焊接前準(zhǔn)備，CO氣體應(yīng)不低于HG/T 2537優(yōu)等品的要求，Ar氣應(yīng)符合GB/T 10624的要求，Ar+CO的配比為80∶20。使用瓶裝CO氣體時(shí)應(yīng)設(shè)置氣體預(yù)熱裝置。由于瓶裝液態(tài)CO可溶解水，多余的水成自由狀態(tài)匯于瓶底，水分會(huì)隨一起揮發(fā)，以水蒸氣混入焊接氣體中，影響氣體純度，而且瓶壓超低，水蒸氣含量越高，當(dāng)瓶內(nèi)壓力低于980kPa時(shí)應(yīng)停止使用；氣體用鋼瓶使用前應(yīng)做倒置放水處理，即將鋼瓶倒立靜置 1h～2h 后，再開啟閥門，把沉積在瓶口的自由狀態(tài)水排出；在供氣管道中應(yīng)設(shè)置高壓干燥器和低壓干燥器，以進(jìn)一步減少CO氣體中的水分。塔機(jī)的主要結(jié)構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)節(jié)需求量大，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了專業(yè)化生產(chǎn)，大量應(yīng)用了專用的生產(chǎn)設(shè)備和工藝裝備，使其生產(chǎn)效率高。由于件6主弦桿焊接填充量大，在實(shí)際生產(chǎn)中先作為一個(gè)獨(dú)立的工件進(jìn)行生產(chǎn)，件6的拼焊及焊接都由專用的拼焊工裝及焊接工作站完成，件6主弦桿完成制作后再與標(biāo)準(zhǔn)節(jié)其他零部件拼焊成片式結(jié)構(gòu)，拼焊和焊接都是在專用的拼焊工裝上完成。采用焊接機(jī)械手與伺服變位機(jī)的配合，可以完成標(biāo)準(zhǔn)節(jié)所有焊縫的覆蓋。采用焊接機(jī)械手代替手工操作是目前焊接生產(chǎn)中比較常見的現(xiàn)象，這樣可以穩(wěn)定和提高焊接質(zhì)量，且很好地保證標(biāo)準(zhǔn)節(jié)一致性，提高生產(chǎn)效率，一天可以24小時(shí)連續(xù)生產(chǎn)；有效改善了工人的勞動(dòng)條件，降低對(duì)工作操作技術(shù)的要求。當(dāng)采用CO氣體保護(hù)焊時(shí)，除根部和蓋面層外，坡口焊縫每層厚度不應(yīng)超過5mm。當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)魚尾板的焊層寬度超過16mm時(shí)，全部多道焊縫均應(yīng)采用錯(cuò)層焊工藝。

焊接接頭中，表面堆焊變形相對(duì)較??；“T”形角接接頭和搭接接頭時(shí)，其焊縫橫向收縮情況與堆焊相似；對(duì)接接頭在單道（層）焊的情況下，其焊縫橫向收縮比堆焊和角焊大，在單面焊時(shí)坡口角度大，板厚上、下收縮量差別大，因此角變形較大；雙面焊時(shí)情況有所不同，隨著坡口角度和間隙的變小，橫向收縮減少，同時(shí)角變形也變??；焊縫中焊接層數(shù)的影響，焊接層數(shù)越多，橫向變形和縱向變形量越小。

焊接工藝參數(shù)對(duì)焊接變形的影響也是很直接的，對(duì)不同的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)焊接位置采取不同的焊接參數(shù)，能最大程度地保證焊接質(zhì)量及減少焊接變形；如電壓過高時(shí)，電弧穩(wěn)定性差、飛濺大、焊絲爆斷、電壓過低以及熔深淺等問題，因此在焊接過程中，要選擇合適的工藝參數(shù)。如焊接電流，當(dāng)其他參數(shù)保持恒定時(shí)，焊接電流與送絲速度呈非線性變化；當(dāng)送絲速度增加時(shí)，焊接電流也隨之增大。在焊絲直徑為1.2mm 時(shí)，隨著焊接電流的增大，熔化速度以更高的速度增加，此時(shí)變?yōu)榉蔷€性；選擇合適的焊接電流可以獲得穩(wěn)定的脈沖噴射過渡，從而有利于焊接效果。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，焊絲直徑小于或等于1.2mm 時(shí)，氣體流量一般為15L/min～20L/min；焊絲直徑大于1.2mm時(shí)，氣體流量應(yīng)取15L/min～25L/min。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T985-2008《氣焊、焊條電弧焊及氣體保護(hù)焊焊縫坡口的基本形式與尺寸》規(guī)定，為了達(dá)到完全熔透的目的，塔機(jī)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)件1、5與件6焊接形式參照?qǐng)D2坡口形式進(jìn)行。

圖2 件1、5與件6水平對(duì)接焊形式

隨著雙絲焊接、激光復(fù)合焊和摩擦焊接工藝的成熟，相信這些焊接工藝以后可以應(yīng)用到塔機(jī)生產(chǎn)中，使焊接變形更好地得到控制。特別是激光-MAG復(fù)合焊接的成熟應(yīng)用，可以很好地解決板件的對(duì)接和角接焊接變形問題，可以在小坡口（或者是可以完成不開坡口）、熔深大、焊縫成型好、焊接缺陷少的功能特點(diǎn)上很好實(shí)現(xiàn)單面焊接，雙面成形，在保證焊接質(zhì)量要求的前提下省去工件翻轉(zhuǎn)時(shí)間，降低焊接作業(yè)時(shí)間；還可以實(shí)現(xiàn)雙槍雙側(cè)主焊縫同時(shí)對(duì)稱焊接的工藝方案，不僅能提高焊接效率，還可以大幅度減少焊接變形。而且將焊接接頭設(shè)計(jì)成“I”形對(duì)接接頭，不開坡口，減少焊材消耗，省去開坡口工序，提高作業(yè)效率；該工藝很好地響應(yīng)了國家綠色制造及節(jié)能減排高質(zhì)量發(fā)展號(hào)召。

4 片狀標(biāo)準(zhǔn)節(jié)焊接變形預(yù)防與控制

片狀標(biāo)準(zhǔn)節(jié)焊接變形控制與預(yù)防采用以下工藝技術(shù)：焊前預(yù)防措施、焊接過程中的控制措施和焊后矯正。

4.1 焊前預(yù)防措施

焊前預(yù)防措施主要包括反變形法、預(yù)拉伸法、剛性固定法。

圖1中件1、5連接板與件6主弦桿焊接時(shí)，可采用反變形法控制變形。為了抵消或減少這種焊接變形，根據(jù)預(yù)測的焊接變形大小和方向，在待焊工件組焊時(shí)造成與焊接殘余變形大小相當(dāng)、方向相反的預(yù)變形量（圖3），焊接冷卻后，焊接殘余變形抵消了預(yù)變形量，使構(gòu)件恢復(fù)設(shè)計(jì)要求的幾何型面和尺寸。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值預(yù)設(shè)準(zhǔn)確，結(jié)合反變形方法，設(shè)計(jì)制作片式標(biāo)準(zhǔn)節(jié)拼焊工裝。

圖3 在不同工件上采用反變形措施

預(yù)拉伸法多用于薄板平面，片式標(biāo)準(zhǔn)節(jié)在焊接前，用機(jī)械方法（拼焊模）剛性固定，與反變形法道理相似，在設(shè)計(jì)制作標(biāo)準(zhǔn)節(jié)片式焊接模具時(shí)，根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)把圖1中件3、4件的定位尺寸H進(jìn)行預(yù)拉伸，根據(jù)圖紙加大一定尺寸，焊接完成后，去除預(yù)拉伸量標(biāo)準(zhǔn)節(jié)就回復(fù)到預(yù)想狀態(tài)。

焊前預(yù)熱也是一種常見的預(yù)防焊接變形方法，由于操作不便與加熱成本高在標(biāo)準(zhǔn)節(jié)焊接生產(chǎn)中不常用，且反變形和預(yù)拉伸法基本已經(jīng)達(dá)到效果。

剛性固定法是采用夾具和剛性工裝模具將標(biāo)準(zhǔn)節(jié)各部件加以固定來限制焊接變形。雖然剛性固定可以減少焊接變形，但是會(huì)產(chǎn)生較大的焊接應(yīng)力，其效果遠(yuǎn)不如反變形法。

4.2 焊中控制

焊接過程中控制焊接變形可以通過合理的焊接方向和合理的焊接順序來實(shí)現(xiàn)。選擇合理的施焊順序也是控制焊接變形的有效手段，對(duì)片式標(biāo)準(zhǔn)節(jié)構(gòu)件，適當(dāng)?shù)夭鸱殖蓭讉€(gè)零件，最后再拼焊成整體，如件標(biāo)準(zhǔn)節(jié)中件1和件6先進(jìn)行施焊，使焊縫能自由地收縮，避免引起標(biāo)準(zhǔn)節(jié)整體結(jié)構(gòu)的變形；對(duì)截面形狀、焊縫布置均勻?qū)ΨQ的焊件，應(yīng)采用對(duì)稱焊接施工，但是標(biāo)準(zhǔn)節(jié)不對(duì)稱焊縫，因此應(yīng)先施焊焊縫少的一側(cè)再焊接焊縫多的一側(cè)，使后焊一側(cè)的變形足以抵消先焊一側(cè)的變形，以減少標(biāo)準(zhǔn)節(jié)整體變形。圖1中件1、5連接板與件6主弦桿焊接時(shí)，可采用此焊接順序來控制變形；焊接中可以采用逆向分段退焊法，如圖4所示，同一條或同一直線的若干條焊縫，采用自中間向兩側(cè)分段退焊的方法可以有效地控制殘余變形。

圖4 分段退焊法

4.3 焊后矯正

標(biāo)準(zhǔn)節(jié)焊后變形量超過技術(shù)要求的幾何型面和尺寸應(yīng)進(jìn)行矯正，目前生產(chǎn)中常應(yīng)用到的變形矯正方法可歸納為機(jī)械矯正法和加熱矯正法。標(biāo)準(zhǔn)節(jié)的焊后矯正一般不采用加熱矯正法，常用的為機(jī)械矯正法，使用液壓壓力機(jī)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)變形區(qū)域進(jìn)行機(jī)械頂壓，造成一個(gè)新的變形去抵消已經(jīng)發(fā)生的變形，使標(biāo)準(zhǔn)節(jié)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生與焊接變形方向相反的塑性變形，兩者互相抵消，達(dá)到矯正效果。

在標(biāo)準(zhǔn)節(jié)焊接生產(chǎn)過程中，剛性固定法防止彎曲變形的效果遠(yuǎn)不如反變形法和預(yù)拉伸法，設(shè)計(jì)合理的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)結(jié)構(gòu)和制定最優(yōu)的焊接工藝參數(shù)、施焊措施以及應(yīng)用一定的變形矯正方法，就可有效對(duì)焊接應(yīng)力和變形進(jìn)行控制，將變形量控制到最小，有效保證標(biāo)準(zhǔn)節(jié)的產(chǎn)品質(zhì)量。隨著雙絲焊接、激光復(fù)合焊接和摩擦焊接技術(shù)的成熟，將有可能改變現(xiàn)有的焊接工藝，對(duì)焊接變形的控制及預(yù)防更加高效。

5 結(jié)語

提高塔機(jī)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)幾何型面和尺寸精度不但能提高塔機(jī)的穩(wěn)定性，而且還能顯著提高塔機(jī)的安全性能、安裝效率。因此，找到標(biāo)準(zhǔn)節(jié)焊接變形的原因，通過以上措施和工裝模具方案后能夠達(dá)到設(shè)定的目標(biāo)，使用合理的焊接工藝參數(shù)和措施能有效解決片式標(biāo)準(zhǔn)節(jié)生產(chǎn)過程中焊接變形的難題，可在生產(chǎn)中進(jìn)行推廣應(yīng)用。