钢闸门制作过程焊接变形的预防和控制措施研究

娄晓路

（贵州中水建设管理股份有限公司，贵州 贵阳 550002）

在水利工程建设过程中，钢闸门是水工建筑物的重要构件。从结构上来看，钢闸门主要由面板、主次梁、水封、支承及起吊连接等装置组成。钢闸门在设计和制备过程中，需要严格按照规范进行，否则会对水利工程的工程质量产生影响，进而影响电站的安全运行。然而，当前因某些原因，往往会导致钢闸门在制备过程中容易出现焊接变形的情形，使得闸门不能符合要求，影响使用安全和使用效果。为了保证水利工程的施工质量，提升钢闸门的使用效果，水利工程人员需要对焊接过程中影响变形的原因进行详细分析，并对影响因素进行针对性控制，从而保证焊接质量。

1 钢闸门制作过程中存在的问题

结合某钢闸门的实例对其制作过程中存在的问题进行分析。通过对制作完成的钢闸门进行外观检测，发现：钢闸门整体面板能够保持平整，但在某些局部区域范围内，存在较大的变形，不能满足设计要求。一般情况下，钢闸门的尺寸要求规定：面板的厚度低于10mm，其尺寸变形需控制在6mm范围以内，因此面板的厚度范围为10mm～16mm。通过钢闸门的外观检测，其面板局部的变形尺寸达到8mm，超出规定的尺寸要求。这样不仅会影响外观的美观性，更重要的是影响止水性能，影响使用安全。目前，针对此种不平整的情况，一般通过喷火进行整平，不仅极大延长制作周期，也会较大影响承载能力。

2 焊接方法概述

焊接方法的不同，对最终焊接质量有直接的影响。

2.1 焊条电弧焊

电弧焊接方式利用焊条和焊接为电极，利用电极阴阳两级之间产生的电弧热进行焊接，在焊接过程中，电弧热能够有效地融化焊接金属和母体，随着热源的移动，母体的不同位置进行融化、冷却形成焊缝。电弧焊接具有操作简单，投资少等优势，适用于不同位置的焊接。目前几乎所有的金属焊接均可以使用电弧焊接方式。另外，该焊接方式不受焊接位置和地点的约束，适用性强。

2.2 氩弧焊

氩弧焊接是一种使用惰性气体为保护气体的电弧焊接方式。其主要的优势为保护效果好、热影响区域相对较窄，在耐热钢、不锈钢和有色金属焊接方面具有优势。因氩气是一种良好的惰性气体，不与金属发生作用，因此在焊接过程中对于金属的保护效果较好，焊接质量高。氩弧焊接可以分为钨极氩弧焊和熔化极氩弧焊。两种方式区别之处是钨极氩弧焊使用钨棒作为电极，而熔化极氩弧焊使用焊丝作为电极使用。

在焊接过程中，需要对焊接过程中的输入热量进行着重控制，一般采用较小的焊条直径、较低的层间温度和小的焊接线能量，可以提升冲击韧性。对焊接接头进行焊接后的热处理工作。

3 钢闸门焊接变形原因分析

3.1 焊接变形

焊接实际上是一个金属加热融化、再冷却的过程，焊接过程中引发钢闸门变形的主要表现是表面不平整，局部的变形超出设计规定范围。在钢闸门实际的焊接过程中，由于局部的受热影响，钢闸门会在温度场的条件下产生膨胀和冷却效应，然而局部受热区域的约束力较为复杂，工件很难进行自由的收缩和膨胀作用。在工件冷却中，焊接加热局部部位发生压缩变形，变形的部位又不能自由的收缩导致出现拉伸应力，在内部不均匀作用力的影响下，工件会出现外观的尺寸变形情况，产生焊接形变。焊接变形和残余应力的产生原因有：焊接过程中，因焊接高温影响，产生塑形的变化；熔化金属固化时，工件热膨胀遇冷产生收缩塑形变化。

焊接过程中的焊接变形和残余应力的影响因素较多，如材料本身的性能差别（膨胀系数、屈服应力）、工件的外观形状（一般工件越复杂，越容易出现焊接变形情况）、焊接工艺等，因此对钢闸门进行质量控制的首要工作是要控制焊接过程中产生的变形量。一般情况下，焊接过程总会产生焊接变形，需要对其影响因素进行着重控制，保证变形量在规范范围内即可。

3.2 焊接变形类型

钢闸门在受热情况下会产生热膨胀和收缩变形情况，按照变形的类型不同，可以分为纵向和横向变形、弯曲和扭曲变形、角变形和波浪变形。在上述变形类型中，角变形和弯曲变形是导致钢闸门异常变形的主要原因。

（1）弯曲变形。弯曲变形的产生主要是由于焊接过程中焊缝的控制出现角度偏差，焊缝如果偏离钢闸门的截面中性轴，无论变形是横向收缩还是纵向收缩，均会导致弯曲变形的出现。

（2）角变形。角变形产生的直接原因是工件的横向收缩在厚度上出现应力不均匀的情况。一般在对接焊接和T型焊接中最为常见。对接焊接过程中，角变形的出现与坡口角度有关。因此，坡口应采用机械加工形式进行制备，对坡口进行焊接之前，需要清除其表面的热切割硬化层，可以通过表面的硬度测试来鉴别硬化层是否清除完毕。接头坡口的形式和原则是在保证合理焊接的基础上，尽量减少坡口的横截面。焊缝根部充分焊接的情况下尽量减少坡口张开角，减小坡口的宽度。通过上述控制，可以充分保证焊接在较短的时间内完成，从而能够实现等温焊接工艺过程，保证焊接的质量。T型焊接过程中，焊角高度越大，越容易出现角变形，因此需要对焊角高度进行合理控制。

4 钢闸门焊接变形的有效控制措施

4.1 设计措施

（1）选择合理的焊缝尺寸和焊接方法，不同的焊接方法对焊接质量控制具有直接的关系。

（2）尽量控制减少焊接接缝的数量，从而保证焊接变形的较少发生。

（3）焊缝的位置尽量保证其在截面的中性轴位置上，确保不会出现变形出现。

4.2 施工工艺措施

（1）反变形法：在对工件进行焊接过程中，人为施加一个反方向的变形，使得两个变形在焊接完成后能够自动抵消，从而达到焊接表明尺寸控制的目的。实际反变形施加的大小需要结合实际的施工情况试验而定。

（2）焊接方法：为了更好地实现焊接过程中的热量控制，可以选择热源相对集中的焊接方法（二氧化碳保护焊），按照合理的焊接工艺顺序进行焊接有助于控制焊接过程中的残余应力，一般需要遵循先对接，后角接。

4.3 焊材的合理管理与选择

为保证焊接的质量，需要对焊材进行品质控制，首先对来样进行严格的质量检测，筛选出不满足要求的焊材。另外，焊材的存储环境需要进行控制，一般需要保证环境中的温度在5℃以上，环境湿度不超过60%，否则需要进行除湿。仓管需要每天定时检测环境的温度和湿度。焊条使用前，需要按照使用说明进行烘干处理，烘干时升温速度一般控制在每小时150℃以下，避免升温速度过快对药皮产生开裂影响。

为了保证焊接接头与母体具有相同的高温蠕变性能及抗氧化性能。为保证接头的高温强度，焊接金属需与母体的材质具有相同含量的铬和钼含量。而过高的铬含量会在焊接过程中形成复杂的碳化物，对焊接质量产生影响。因此，可以选用铌、钒等元素对铬钼钢渗合金，这些合金产生的碳化物在短时间的焊接热周期内来不及溶解到固熔体中，提高金属的韧性和抗裂性能。

另外，可以对坡口位置进行均匀加热，保证其热变形一致，达到变形的控制。在进行坡口预热时，一般采用热电偶加热方式，当热电偶温度达到规定要求后，需要保持几分钟，保证坡口位置能够充分加热。采用红外探测坡口表面温度，当其达到规定温度值后，方可停止预热。

当加热器在焊接接缝两侧进行预热时，加热的宽度控制如下：自待焊接焊缝边沿始计算，每侧的加热宽度不应低于厚度的4倍。用绳形加热器进行预热操作时，坡口两侧布置的加热器线圈的缠绕数尽量保持一致，两侧加热速度保持均一。

5 结语

不同的焊接方法会对焊接质量产生不同的影响，针对钢闸门焊接的特点，采用二氧化碳保护焊接更具有优势。通过对焊接变形的原因和主要类型进行分析，可以明确影响变形的主要因素，在此基础上选择合理的焊接方式、焊接前的预处理手段可以有效控制焊接产生的变形量。