淺談水工鋼閘門(mén)門(mén)葉焊接變形的預(yù)防和控制

周 兵

（中國(guó)水利水電夾江水工機(jī)械有限公司，成都 610000）

在社會(huì)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的進(jìn)程中，水利水電工程建設(shè)具有重要作用。它不僅可以為社會(huì)生產(chǎn)生活提供寶貴的電力能源，還起到了防洪排澇等生態(tài)保護(hù)作用。在水利水電工程建設(shè)中，鋼閘門(mén)的制造與安裝是重要的一環(huán)。鋼閘門(mén)是應(yīng)用范圍最廣泛的水工金屬結(jié)構(gòu)，其地位與作用不可或缺。在水工鋼閘門(mén)焊接作業(yè)中往往會(huì)出現(xiàn)變形問(wèn)題，因此施工過(guò)程中需要施工人員采取積極措施預(yù)防和控制焊接變形問(wèn)題，確保水工鋼閘門(mén)的質(zhì)量安全。

1 水工鋼閘門(mén)門(mén)葉焊接變形的原因

水工鋼閘門(mén)門(mén)葉的焊接變形問(wèn)題，不單純是焊接工藝不科學(xué)或焊接操作不當(dāng)引起的，還與單個(gè)構(gòu)件制作質(zhì)量、門(mén)葉拼裝質(zhì)量存在密切關(guān)系。如果單個(gè)構(gòu)件制作質(zhì)量不過(guò)關(guān)，可能會(huì)導(dǎo)致組裝時(shí)間隙過(guò)大或過(guò)小，容易引起焊接變形問(wèn)題。如果門(mén)葉拼裝誤差偏大，也會(huì)增加門(mén)葉焊接變形的可能性[1]。

第一，單個(gè)構(gòu)件制作質(zhì)量不過(guò)關(guān)。水工鋼閘門(mén)由多個(gè)構(gòu)件組成，每個(gè)構(gòu)件的質(zhì)量合格與否都會(huì)對(duì)鋼閘門(mén)整體質(zhì)量產(chǎn)生影響，也會(huì)對(duì)門(mén)葉焊接質(zhì)量造成積極或不利影響[2]。實(shí)際工作中，可能因工藝不合理或操作不當(dāng)導(dǎo)致單個(gè)構(gòu)件尺寸偏差過(guò)大。組裝時(shí)，構(gòu)件之間間隙偏差超標(biāo)或是構(gòu)件坡口形狀不合適，都會(huì)對(duì)門(mén)葉安裝質(zhì)量造成影響，從而引發(fā)門(mén)葉焊接變形問(wèn)題。

第二，門(mén)葉拼裝質(zhì)量不過(guò)關(guān)。鋼閘門(mén)門(mén)葉拼裝環(huán)節(jié)較為復(fù)雜，很容易出現(xiàn)差錯(cuò)。如果施工人員未嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)圖紙和相關(guān)規(guī)范進(jìn)行門(mén)葉拼裝或是門(mén)葉拼裝檢查驗(yàn)收存在失誤，都可能使門(mén)葉拼裝存在較大誤差，增加了門(mén)葉焊接變形的概率和程度[3]。

第三，門(mén)葉焊接質(zhì)量不過(guò)關(guān)。門(mén)葉焊接變形最直接的原因在于焊接質(zhì)量偏低。如果施工人員操作不規(guī)范，監(jiān)管人員疏于職守，那么可能導(dǎo)致焊接工藝選用不當(dāng)、焊接順序不合理、焊接檢測(cè)不規(guī)范等問(wèn)題，使門(mén)葉整體焊接質(zhì)量達(dá)不到要求[4]。

2 水工鋼閘門(mén)門(mén)葉焊接變形的預(yù)防措施

2.1 科學(xué)制定工藝方案

為了保證水工鋼閘門(mén)制作質(zhì)量，應(yīng)以減少焊接變形為準(zhǔn)則，分析閘門(mén)門(mén)葉和其他部件設(shè)計(jì)圖紙，結(jié)合鋼閘門(mén)制作成熟工藝編制流程圖，制定涵蓋下料、刨邊、構(gòu)件焊接、門(mén)葉拼裝等環(huán)節(jié)的工藝方案[5]。要將單個(gè)構(gòu)件和整體拼裝的焊接作業(yè)作為關(guān)鍵工序，依據(jù)現(xiàn)有生產(chǎn)條件和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范科學(xué)設(shè)計(jì)各個(gè)工序，確保工藝方案科學(xué)、合理、可行。

焊接變形的控制方法主要有振動(dòng)焊接法、預(yù)應(yīng)力法以及退火法等。在制定工藝方案時(shí)，應(yīng)綜合考慮各種焊接變形控制方法的適用性，在鋼閘門(mén)制作過(guò)程中采用預(yù)防和控制門(mén)葉焊接變形的技術(shù)措施。其中：振動(dòng)焊接法以振動(dòng)時(shí)效理論為基礎(chǔ)，可以對(duì)門(mén)葉焊接的橫向收縮變形等起到良好的改善作用；預(yù)應(yīng)力法通過(guò)施加外力或加熱方式，降低門(mén)葉焊接的變形程度；退火法采用專(zhuān)門(mén)的夾具固定構(gòu)件，在焊接完成后放入退火爐加熱保溫，在溫度逐漸降低過(guò)程中消除殘余應(yīng)力，具有良好的控制焊接變形的能力。

以國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)，遵守法定規(guī)定原則，完善水工鋼閘門(mén)焊接通用工藝，做好焊接施工圖紙管理，保障焊接控制管理體系得以有效完善。制定明確的焊接質(zhì)量控制制度，要求相關(guān)人員按照制度要求焊接，為焊接質(zhì)量控制提供實(shí)際的制度保障，提升焊接質(zhì)量管控水平。

2.2 單個(gè)構(gòu)件制作質(zhì)量控制措施

為保障水工鋼閘門(mén)焊接質(zhì)量，焊接材料與設(shè)備的選擇尤為關(guān)鍵，對(duì)工程建設(shè)起到了至關(guān)重要的作用。因此，應(yīng)做好焊接材料與設(shè)備的管理工作，確保焊接材料質(zhì)量、性能等滿足焊接作業(yè)要求，且設(shè)備性能穩(wěn)定。水工鋼閘門(mén)制作需要采購(gòu)質(zhì)量上佳的各種原材料，確保材質(zhì)報(bào)告單與實(shí)物對(duì)應(yīng)，型材等材料尺寸滿足單個(gè)構(gòu)件下料要求。在單個(gè)構(gòu)件制作過(guò)程中，應(yīng)根據(jù)門(mén)葉加工、組裝、焊接等作業(yè)特點(diǎn)，考慮單個(gè)構(gòu)件之間裝配關(guān)系以及裝配對(duì)焊接變形的影響，合理確定單個(gè)構(gòu)件的工藝尺寸。此外，在下料時(shí)預(yù)留一定的加工余量和收縮余量，保證適當(dāng)?shù)难b配間隙[6]。因此，應(yīng)考慮不同材料特性和焊縫強(qiáng)度要求來(lái)確定預(yù)留量。比如，一二類(lèi)焊縫以外的焊縫可以預(yù)留千分之一的收縮量，而對(duì)于一二類(lèi)焊縫應(yīng)結(jié)合具體部位要求區(qū)別對(duì)待，適當(dāng)增加預(yù)留收縮量。

明確焊接順序控制要點(diǎn)。先構(gòu)件，后部件，再整體，是水工鋼閘門(mén)制作的主要順序。通常，組對(duì)焊接順序是先工字梁，后梁系及面板，再止水座板等附件。在進(jìn)行焊接時(shí)，按照焊接順序明確質(zhì)量控制要點(diǎn)。工字梁的組對(duì)焊接要點(diǎn)在于腹板與翼緣板兩側(cè)的直通角焊縫，秉承“焊接一段、暫停一會(huì)”的原則，一般由梁長(zhǎng)度的中間至兩端分段。焊接時(shí)保證電弧指向準(zhǔn)確一致同樣關(guān)鍵，以構(gòu)件長(zhǎng)度方向?yàn)閰⒖迹３止ぷ至旱暮缚p角度變形與其一致[7]。梁系及面板的組對(duì)焊接要點(diǎn)在于整個(gè)閘門(mén)結(jié)構(gòu)的對(duì)稱(chēng)軸線對(duì)稱(chēng)作業(yè)，先完成縱梁腹板、翼緣板和橫梁腹板、翼緣板的對(duì)接，再對(duì)稱(chēng)實(shí)施橫梁與邊梁的對(duì)接組焊，最后是工字梁和面板組合時(shí)對(duì)稱(chēng)軸線對(duì)稱(chēng)施焊。止水座板等附件的組裝焊接要點(diǎn)在于按規(guī)范對(duì)稱(chēng)焊接，按圖紙要求校對(duì)、修整門(mén)葉后，完成加工組裝。

鋼閘門(mén)門(mén)葉焊接變形與焊縫數(shù)量、長(zhǎng)度存在直接關(guān)系。焊縫數(shù)量越少，長(zhǎng)度越小，焊接過(guò)程中的熱作用就越小，產(chǎn)生的焊接變形也越小。各構(gòu)件按照制定好的工藝料單進(jìn)行切割下料，保證梁腹板等構(gòu)件下料尺寸完整。通過(guò)整塊下料來(lái)減少對(duì)接焊縫數(shù)量，以達(dá)到降低焊接變形的目的[7]。在構(gòu)件邊及坡口加工時(shí)，應(yīng)根據(jù)焊接工藝特點(diǎn)調(diào)整焊縫。比如，將單邊坡口改為對(duì)稱(chēng)雙面坡口，通過(guò)校正和修邊來(lái)改變焊縫形狀，減少焊縫面積，使焊縫兩側(cè)母材更加平均，從而降低焊接作業(yè)時(shí)產(chǎn)生的彎曲和扭曲變形。在單個(gè)構(gòu)件拼裝和焊接時(shí)，需要嚴(yán)格控制裝配尺寸，保證主次梁等部件焊縫錯(cuò)開(kāi)一定距離，并采用分層分道和分段跳焊等方式控制能量輸入，減少單個(gè)構(gòu)件產(chǎn)生的焊接變形。焊接后，根據(jù)幾何尺寸和焊縫情況采用機(jī)械或火焰調(diào)校方式，保證構(gòu)件制作尺寸和質(zhì)量，從而為預(yù)防門(mén)葉焊接變形創(chuàng)造良好條件。

2.3 門(mén)葉整體拼裝質(zhì)量控制措施

門(mén)葉拼裝階段需要采取措施控制裝配間隙，減少后續(xù)焊接作業(yè)產(chǎn)生的變形量。由于門(mén)葉拼裝后多數(shù)焊縫位于面板一側(cè)，門(mén)葉焊接后存在整體向面板一側(cè)凹進(jìn)趨勢(shì)。因此，可以綜合考慮閘門(mén)尺寸、主梁剛度、焊縫大小等情況，在門(mén)葉拼裝前將主梁、邊梁向面板一側(cè)預(yù)留一定的拱度，使焊接變形與預(yù)留拱度相互抵消，起到控制焊接變形的作用[8]。

門(mén)葉拼裝可以采用整扇門(mén)葉或單節(jié)門(mén)葉拼裝方案。整扇門(mén)葉拼裝對(duì)場(chǎng)地要求高、焊接周期長(zhǎng)，但整體性好，易保證門(mén)葉拼裝形位尺寸；單節(jié)門(mén)葉拼裝對(duì)場(chǎng)地要求低、焊接周期短，但難以控制形位尺寸，相鄰節(jié)間易出現(xiàn)焊接變形產(chǎn)生的尺寸偏差。因此，在條件允許的前提下，建議選用整扇門(mén)葉拼裝方案，在剛性平臺(tái)上完成門(mén)葉整體拼裝，調(diào)平面板并與平臺(tái)剛性固定，使用經(jīng)緯儀放樣基準(zhǔn)線，合理控制主梁、隔板等間距尺寸，確保拼裝間隙滿足焊接變形需要。

在焊接作業(yè)前，認(rèn)真測(cè)量和檢查門(mén)葉外形尺寸、長(zhǎng)度、距離等尺寸和預(yù)留余量數(shù)據(jù)，合理控制裝配間隙等情況，確保門(mén)葉整體拼裝質(zhì)量，為門(mén)葉焊接變形的有效控制做好鋪墊。門(mén)葉拼裝中間隙不能過(guò)大也不能過(guò)小，過(guò)大會(huì)增加敷熔金屬量使變形變大，過(guò)小可能無(wú)法熔透影響焊接質(zhì)量。

3 水工鋼閘門(mén)門(mén)葉焊接變形的控制措施

水工鋼閘門(mén)門(mén)葉焊接變形發(fā)生前，需要采取必要的質(zhì)量控制措施，將焊接變形等控制在合理范圍內(nèi)。在發(fā)生焊接變形后，應(yīng)及時(shí)采取合理、有效的控制措施，矯正焊接變形等情況，以保證門(mén)葉焊接質(zhì)量。

3.1 門(mén)葉焊接質(zhì)量控制措施

由于焊接變形十分復(fù)雜，焊接工藝要結(jié)合焊接變形的具體情況隨時(shí)進(jìn)行調(diào)整。在焊接工藝的調(diào)整過(guò)程中，要考慮焊接工藝與實(shí)際情況的適配性，綜合考慮拼裝尺寸、收縮余量、坡口形式等情況，合理確定焊接方法、焊接材料、焊接順序和焊工數(shù)量等工藝方案，確保焊接工藝的合理性與可靠性。

閘門(mén)門(mén)葉焊接方法的選用，要考慮焊縫形狀、母材材質(zhì)等因素，可采用手工電弧焊、二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊和埋弧自動(dòng)焊等方式施焊。焊接作業(yè)中的熱量輸入越大，變形也越大。通常，自動(dòng)焊比手工焊加熱集中，產(chǎn)生的焊接變形較小，焊接變形與焊接電流、電壓正相關(guān)，而與焊接速度負(fù)相關(guān)。因此，一般采用低電壓、大電流、高速的自動(dòng)焊方式來(lái)控制門(mén)葉焊接變形[9]。

合理選擇焊接順序可以降低焊接引起的變形程度，通常以門(mén)葉中心線為界，從中心向外側(cè)分段逆向施焊，先焊接隔板與梁系角焊縫、平角縫，再焊接主梁與邊梁組合焊縫。同時(shí)，在門(mén)葉焊接前可以制作剛性?shī)A具或采用臨時(shí)加焊、點(diǎn)焊固定等方式，增加門(mén)葉部件結(jié)構(gòu)剛性，提高構(gòu)件抵抗焊接變形的能力。施焊后，待全部冷卻后再拆除剛性?shī)A具和臨時(shí)支撐。

3.2 門(mén)葉焊接變形的矯正措施

在門(mén)葉焊接作業(yè)過(guò)程中，應(yīng)觀察和及時(shí)了解焊接變形情況，并確定引起焊接變形的因素。在焊接作業(yè)過(guò)程中，環(huán)境溫度、焊接速度以及電流變化等都可能引起焊接變形。在觀察發(fā)現(xiàn)存在焊接變形后，可以及時(shí)調(diào)整焊接工藝，避免產(chǎn)生較大程度的焊接變形，以降低后期矯正調(diào)形成本。

為保證水工鋼閘門(mén)制作過(guò)程中的焊接質(zhì)量，焊接后內(nèi)部積聚的殘余應(yīng)力處理尤為關(guān)鍵。為避免造成閘門(mén)變形，在水工鋼閘門(mén)制造過(guò)程中，除了上述幾點(diǎn)焊接質(zhì)量控制措施外，做好焊接殘余應(yīng)力消除工作同樣關(guān)鍵。據(jù)此分析現(xiàn)場(chǎng)焊接施工要求，按照規(guī)范進(jìn)行焊接作業(yè)，有效處理焊接殘余應(yīng)力，加強(qiáng)焊接質(zhì)量管控，實(shí)際意義重大。在組裝門(mén)葉前，嘗試組焊單元件并予以校正，有助于降低整體焊接應(yīng)力，減小焊接變形的效果同樣顯著。焊接作業(yè)后，可采用局部退火的方式，處理因門(mén)葉上局部焊接應(yīng)力集中造成應(yīng)力過(guò)大的問(wèn)題，加熱局部部位，直至達(dá)到退火溫度要求，暫冷后即可有效降低殘余應(yīng)力的峰值，從而消除部分應(yīng)力。比如，在閘門(mén)工字梁焊接處可使用三角形加熱矯正法，通過(guò)加熱工字梁變形部位來(lái)改善變形情況，見(jiàn)圖1。

對(duì)門(mén)葉焊接變形進(jìn)行測(cè)量和檢測(cè)，在檢測(cè)出焊縫存在質(zhì)量缺陷后，應(yīng)采取措施進(jìn)行返修處理。對(duì)于焊接變形，應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況采取必要的矯正調(diào)形措施。比如：對(duì)于上彎變形，可以采用加熱方式矯正拱起部位；對(duì)于扭曲變形，可以在適當(dāng)加熱后，借助外力進(jìn)行矯正。矯正措施多種多樣，重在以消除變形為目標(biāo)，結(jié)合實(shí)際變形情況進(jìn)行靈活調(diào)整，保證矯正措施的實(shí)效性?？紤]到采用退火法等消除焊接產(chǎn)生的應(yīng)力，耗時(shí)較長(zhǎng)，可以采用振動(dòng)時(shí)效處理技術(shù)消除殘留應(yīng)力。自然時(shí)效可有效降低焊接應(yīng)力，繼而減小焊接變形。為保持自然時(shí)效，一般要求將組焊及矯正后的門(mén)葉墊平，同時(shí)置于常溫條件下使其保持適當(dāng)時(shí)間，以便滿足相關(guān)要求。在調(diào)形前增設(shè)門(mén)葉應(yīng)力消除工序，切斷變形趨勢(shì)，降低焊接變形程度。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在水工鋼閘門(mén)門(mén)葉焊接之前，應(yīng)認(rèn)真做好焊接變形的預(yù)防工作，保證單個(gè)構(gòu)件制作質(zhì)量與鋼閘門(mén)門(mén)葉拼裝質(zhì)量，避免因其他因素干擾導(dǎo)致焊接變形問(wèn)題的發(fā)生。在門(mén)葉焊接過(guò)程中，應(yīng)積極采取焊接作業(yè)質(zhì)量控制和焊接變形矯正兩方面的焊接變形控制措施。前者在于規(guī)范管控門(mén)葉焊接作業(yè)過(guò)程，確保焊接作業(yè)質(zhì)量達(dá)標(biāo)的同時(shí)，盡量減少門(mén)葉焊接變形；后者在于檢測(cè)門(mén)葉焊接變形，根據(jù)門(mén)葉焊接變形情況采取相應(yīng)的矯正措施，盡可能減少或消除焊接變形問(wèn)題。