钢闸门焊接变形控制及火焰矫正

(葛洲坝集团第二工程有限公司，成都，610091)

1 焊接变形定义及变形原因

1.1 焊接变形的定义

在焊接过程中，焊缝金属和母材的冷热循环所引起的膨胀和收缩称之为焊接变形。焊接变形包括缩短、角度改变及弯曲变形。

1.2 焊接变形产生的原因

1.2.1 钢板冷热变形产生的原因

以图1一组钢板冷热变化时产生的变形为例。均匀加热钢板时，钢板向各个方向均匀膨胀(见图1a)，当钢板冷却至室温时，也是均匀收缩并恢复至原始尺寸。如果钢板在加热时给予刚性约束(见图1b)，两个侧边就不会产生变形。但是，加热时钢板一定会膨胀，所以只能在无约束的垂直方向膨胀(厚度方向)，从而使钢板变得更厚。同样，当钢板温度降至室温时，也将在各方向上收缩(见图1c)，这样工件就发生了永久性弯曲或扭曲变形。

1.2.2 焊接变形原因

1.2.2.1 焊接热应力变形。工件在焊接过程中，对金属材料是一种不均匀的加热和冷却。焊接时，加热的热源是移动的高温电弧，焊缝和热影响区金属温度很高，金属受热膨胀，但又受到常温金属的阻碍和抑制，便产生了压缩塑性变形。结构件的焊接变形程度与施焊时热源的输入能量成正比。

图1 加热钢板变形示意

1.2.2.2 残余应力变形。残余应力主要为焊接残余应力，当工件某一部位施焊结束后，其焊缝金属由膨胀转为收缩，但其又受到常温金属的限制，这时便产生了焊接残余应力。焊缝中的残余应力引起了焊接变形。

因此在焊接过程中，焊接变形无法避免，只能通过有效的焊接将焊接变形控制在一定的范围内。

如果要让统一战线社会化得到增强，必须增进统战人员的社会服务能力、民主监管能力及议政参政能力等方面的教育和培训工作，并用积极的态度来构建起助推发展、民生服务、聚智聚才等相关机制，并在工作中力所能及地去鼓励各级成员进行统战组织的基层建立和社会服务等活动的开展，并在开展社会服务活动中，让统战工作的作用和力量得到展现，从而提升统战工作在基层中的社会认知度。

2 影响焊接变形的因素及控制方法

影响焊接变形的主要因素为焊接过程中金属的膨胀及焊接后金属的收缩。在钢闸门焊接中，焊接变形的种类主要有：纵向收缩和横向收缩、角变形、弯曲变形、波浪变形及扭曲变形。

本工程钢闸门为冲沙孔进水口事故闸门，闸门类型为平面定轮门。闸门的总体尺寸为8.0m(宽)×9.8m(高)×1.38m(厚度)，闸门总重为13.6t，共分为4节。闸门钢板选用Q345B材料，主要钢板厚度分别为24mm、30mm、36mm。在闸门焊接中控制变形的主要措施如下。

2.1 减少焊接量

焊接变形归根到底是由焊接热输入引起的，减少焊接输入热量才能从根本上防止焊接变形。但减少焊接量并不以牺牲焊接强度为代价，是指在满足焊接强度的前提下尽可能的少焊接和不焊接，具体措施如下：

(1)闸门面板共分为4节，每节面板尺寸为2.48m×8m，根据面板尺寸采购钢板，直接采购2.5m×8m的钢板，这样就避免了面板上设计焊缝，有效减少焊接变形；

(2)在坡口的制备中，应严格控制坡口开制精度，避免过大坡口而增加焊接填充量；

(3)采用粗焊丝、少焊道焊接工艺。多焊道时，每一焊道引起的收缩累计增加了焊缝总的收缩。36mm钢板的对接焊缝坡口为不对称"X"型坡口，坡口角度为60°，焊条选用φ4.0mm焊条。焊道形式见图2。但采用粗焊丝、少焊道焊接或细焊丝、多焊道焊接工艺依据材质而定，一般低碳钢、Q345等材质适用粗焊丝、少焊道焊接，不锈钢、高碳钢等材质适用细焊丝、多焊道焊接。

2.2 控制焊接顺序

图2 δ36钢板对接焊缝焊道形式示意

采用逆向分段焊接控制焊接顺序。是指总焊接方向从左到右，而分段焊方向每段从右到左(见图3)。每个焊段分割进行，受热部分膨胀，分段从A端焊向B端，但是，膨胀逆向沿着两块钢板的外沿CD扩散。在闸门面板整体水密封焊接中，采用此种办法，在很大程度上降低了焊接的变形量。

图3 逆向分段焊接示意

2.3 反变形法控制焊接变形

图4 反变形法控制焊接变形示意

2.4 消除残余应力控制焊接变形

焊接变形是由焊接应力产生，因此消除焊接应力就可有效减少焊接变形。

2.4.1 敲击法。敲击是抵消焊缝收缩力的一种方法，如同焊缝冷却。敲击将使焊缝延伸，变得更薄，从而消除应力。但是，使用这种方法必须注意，焊缝根部不能敲击，敲击时可能产生裂纹，通常敲击也不能用在盖面焊道上。敲击法主要用于多层多道焊接中，在中间层道焊接完成后进行适当敲击。

2.4.2 热处理。主要包括焊缝前预热及焊后热处理。焊缝预热及后热处理可以减小接头焊后的冷却速度，避免产生淬硬组织，减小焊接应力及变形。在钢闸门制造中，钢板较厚且应力集中较大的部位如主梁的端部和端板，在焊接后需采用热处理工艺措施，以消除焊接内应力。采用的热处理方法是用远红外履带式电热板加热，硅酸盐针刺棉保温，热电板和智能型程序温度控制箱记录加热、保温、冷却的过程。加热速度50%，580℃～620℃保温2h～3h，冷却速率80%，当工件温度下降到300℃以下时可以空气冷却。

3 钢闸门焊接变形火焰矫正

由于焊接变形不可避免，因此针对焊接变形必须采取有效的方法来矫正。焊接变形矫正常用的方法主要有：机械矫正和火焰矫正。本文对机械矫正不予详细阐述，重点分析火焰矫正。对于闸门焊接完成后的主梁及面板，火焰矫正对因焊接受热而产生的凸凹变形矫正有着显著的效果。

3.1 火焰矫正原理

火焰矫正的基本原理，是利用加热后的温度应力使板材内部纤维产生与变形相反的收缩，使构件的变形得到矫正。根据金属热胀冷缩的物理性能，当钢材受热时将会以1.2×10-5℃的线膨胀率向各个方向伸长，当冷却到原来温度时，除收缩到未加热时的长度外，钢材还将会继续按1.48×10-6℃的收缩率继续收缩一部分，于是导致收缩后的长度比加热前有所缩短。因而通过对变形的凸面处适当位置进行火焰加热升温，利用冷却时产生的内部强大的冷缩应力，促使材料内部纤维受拉产生塑性收缩，从而矫正变形。

3.2 钢闸门焊接变形常用的矫正方法

3.2.1 点状加热矫正法。此法主要用于钢闸门主梁及边梁腹板的局部弯曲凹凸不平变形和一些薄板的变形。点状加热即加热点为圆形，大小与需矫正的板料厚度有关，板料厚度越大，点的直径相应也越大，通常按照板厚度的6倍再加上10mm来计算。为了达到良好的矫正效果，加热点应该成梅花状布局，外围点基本上处在同一圆上。这样当冷却收缩变形指向中心点，可保证应力的均匀性，防止产生多余的收缩变形影响矫正效果。加热点布置时，间距应尽量保持均匀一致，并控制在50mm～100mm以内。

3.2.2 线状加热矫正法。此法主要用于闸门主梁翼缘板的角变形和弯曲变形。采用线状矫正法对构件加热后，板料由于上下两面存在着较大的温差，加热带长度方向上产生的收缩量较小，横向收缩量较大，利用加热带的横向收缩而产生的强大拉应力，将由于焊接而造成的翼缘弯曲变形拉平。矫正施工中，加热带的宽度应根据板材的厚度来选取，一般控制在翼缘厚度的0.5～2.0倍之内。使用线状加热时，按规定必须保证红区的深度不能超过板厚的一半。

3.2.3 三角形加热法矫正。此法主要用于闸门制作中工字梁焊接后产生的拱变形和旁弯变形。三角形加热法加热面成等腰三角形，加热面的的高度和底边宽度一般控制在工字梁高度的1/5～2/3范围内；加热位置应处于工字梁凸起的一侧，三角形顶部在工件内侧并指向变形中心，底边在工件外侧边缘处。通过对工件凸起处加热数处，加热后收缩量从三角形顶点起沿等腰三角形的两边逐渐增大，当冷却时凸起部分产生收缩使得工件得以矫正。对于工字梁拱变形，需对工字梁拱形上部向翼缘和腹板加热，通过上部翼缘和腹板的收缩将工字梁拉直；对于工字梁旁变形，则需对工字梁旁弯外侧上下翼缘边处加热，通过上下翼缘外边的收缩将钢工字梁拉直(见图5)。

图5 三角形加热法矫正示意

3.3 影响火焰矫正效果的主要因素

控制矫正效果的主要因素有加热的温度、加热的速度、加热区的大小和位置等方面。

3.3.1 加热温度对矫正工作的影响。加热后降温产生的收缩应力应在材料的弹性极限力和塑性极限力之间，根据Q345材料力学性能参数，火焰矫正的加热温度选择应在600℃～800℃之间。并且加热过程加热应均匀，不得有过热、过烧现象，同一加热点的加热，次数不宜超过3次。对于厚度较大的板材，加热后不能用冷水冷却，因冷水冷却导致厚钢材内部温差过大而容易产生裂纹。表1为火焰矫正时的加热温度及冷却方式。

表1火焰矫正时的加热温度(材质为低碳钢)

名 称加热温度(℃)冷却方式低温矫正500～600水中温矫正600～700空气和水高温矫正700～800空气

3.3.2 加热速度对矫正工作的影响。由于钢材具有良好的导热性，如果加热的速度较慢，则会造成构件受热区范围扩大。加热的速度一般是通过调整火焰的温度来控制的，温度若不高，钢的加热时间就会延长，使受热区范围扩大，将会达不到良好的矫正效果。因而在实际操作中，需用高温火焰烤烧加热部位，使热量充分集中而快速地使加热区达到红热状态。

3.3.3 加热区的大小、位置对矫正的影响。钢闸门在进行火焰矫正中，对加热区的范围大小需严格控制。如果加热区过大，则会造成冷缩后变形幅度过大，矫正了原变形后还会产生负变形；过小时又会导致收缩幅度不够，达不到矫正目的，降低工作效率。实际工作中，加热区的大小大多是通过专业操作人员的经验进行选取的。

4 小结

本文通过对焊接变形定义及原因的分析，明确了在闸门焊接中出现焊接变形的主要因素。根据影响焊接变形的主要因素，焊接中采取了有效的防变形措施，钢闸门在焊后的检测中，焊接变形得到了良好的控制，焊缝一次性合格率100%，产品制作质量优良，为今后钢闸门的制造提供了可借鉴性的经验。