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(guò)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(guò)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(lái)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(guò)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(guò)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。可采用必要的混合氣體保護(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(guò)程采取的一系列措施，它可以分為焊前預(yù)防措施，焊接過(guò)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?shī)A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(guò)糾正措施來(lái)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(lái)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(guò)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(lái)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(guò)選擇合理的焊接順序和工藝參數(shù)，來(lái)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(lái)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