浅析起重机械结构焊接变形的因素及控制

王健

（江苏省特种设备安全监督检验研究院江阴分院，江苏 江阴 214431）

浅析起重机械结构焊接变形的因素及控制

王健

（江苏省特种设备安全监督检验研究院江阴分院，江苏 江阴 214431）

起重机械是现代工业生产不可缺少的设备，而桥架型起重机械目前使用最为广泛的起重机械之一，其焊接变形也是起重机制造中的一个难题。本文主要分析和研究了起重机械结构焊接变形的因素及控制，进而能找到焊接变形的有效控制方法。

起重机械；焊接变形；控制矫正

起重机械是现代工业生产不可缺少的设备，被广泛地应用于各种重工业领域。起重机械制造的安全性被作为重要指标所体现。起重机械的机构零件、金属结构、联接件和附件大都由件数材料加工而成。

目前，国内起重机械的金属结构材料主要是钢材，常用的材料是普通碳素钢Q235，有时需减轻其设备本身的自重，也可采用16Mn或15MnTi。起重机械主要结构不外乎桥架类、门架类、臂架类和塔架类。桥架类的主要受力构件为主梁，而门架类的主要受力构件为主梁和支腿。而桥架类和门架类起重机械的金属结构联接方式主要为焊接和螺纹联接，尤其是起重机械的主要受力构件目前采用焊接方式加工为主。换言之，起重机械结构焊接变形控制，也就是钢结构焊接变形的控制。本文主要以桥架型起重机械为主。

1　起重机械焊接变形的主要作用因素

1.1材料因素的影响

材料对焊接变形的影响除焊接材料之外，和母材也有很大的关系，材料的力学性能参数和热物理性质参数对焊接变形过程有非常重要的影响。起重机械虽然常用材料为普通碳素钢Q235，但对于其工作级别和使用环境的不同，其所用Q235也有所不同。

1.2结构因素的影响

焊接结构的焊接变形设计，是最关键的影响因素，也是最复杂的因素之一。结构焊接变形的过程中，由于工件本身的限度是不断变化的，因此会受到自身为变拘束结构和外加拘束结构的影响。起重机械的焊接变形主要影响因素是其结构，桥架类和门架类中的主要受力构件——主梁，就目前来讲，主要是为箱形梁结构。箱形主梁主要由盖板、腹板和筋板组成的Π形梁。

1.3工艺因素的影响

焊接变形是受焊接技术影响的，其在许多方面，如焊接预处理、焊接方法、焊接电压、输入电流、焊接顺序的定位或固定方法，焊接夹具及固定装置的应用等各方面。

起重机械的钢材一定要进行必要的预处理。钢材表面通常有一层氧化皮，它是钢材在轧制过程中高温高压下与空气接触产生的氧化物，呈灰黑色，覆盖于钢材表面，在进行除锈喷丸等预处理的同时，还要进行防锈处理。目前起重机械箱形梁的主要焊接方法是工人手工焊接，也有一部分大型企业采用机器人焊接。

现在主梁起重机械制造专业企业在我国整体装配焊接主要采用以下方法：

1.3.1在船形位置的埋弧自动焊

该方法使用普遍,有良好的焊缝。所谓船形位置,它使用45°的提升将箱形梁的位置放到一个船形，然后使用自动埋弧焊焊接。采用了特殊的箱形梁焊接机跟踪和工作台，焊接箱形梁的支持可以调整升降架的高度。

1.3.2用固定气体用以保护焊机焊接

通常采用平角焊方法焊件上的梁是由运行小车运行。运行通过一个小型汽车与焊件完成焊接，焊接机转换成固定。富氩混合气体保护焊焊接角焊缝成形好、飞溅小、高效，焊接方法是最好的，效率也最高。

1.3.3气体保护焊自动焊接小车焊接

主梁平面、腹板在一个水平位置，目标气体保护焊车焊缝。可采用必要的混合气体保护焊或二氧化碳气体保护焊，焊缝质量好，生产效率好，使用简单，不需要其他辅助设备。常用的有H-8型自动焊接小车。

此外，主梁的焊接次序也是值得探讨的。一般对拱度偏小的要尽可能的先焊接下盖板与腹板的焊缝；拱度偏大的应先焊接上盖板与腹板的焊缝。

2　起重机械焊接变形的控制

2.1设计措施

2.1.1焊接尺寸和形式有必要进行合理的选择

焊接工作量和焊接变形的大小直接取决于焊接尺寸。因此，保证结构承载力的情况下，在设计时应该使用尽可能小的焊缝尺寸。对于受力较大的丁字接头和交叉，开坡口焊缝要比一般角焊缝减少焊缝金属，前提是在保证相同的强度条件下，这对减小变形有利。桥架型起重机械主要受力构件为箱形主梁，而主梁主要有盖板、腹板拼接而成。盖板、腹板拼接时必须要先拼接宽度，然后再拼接长度。板件接宽时，焊接纵向焊缝后出现角变形，可以用平板矫正机平直。

选择合适的焊接方向也非常重要。在直线型板件的拼长对接时，翻个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，也应该采用上述的焊接方法，才能做到不改变预定的腹板下料拱度曲线。

2.1.2对没必要的焊缝，要尽可能的减少

在焊接结构的设计，合理选择加筋板的形状，妥善安排加筋板的位置，力求焊缝数量少，避免不必要的焊接，以减少焊接变形。梁起重机械的主要压力组件覆盖板和腹板拼接通常采用不同长度的钢材、长钢板应布置在短钢板的两端对称排列。所以要能尽量减少连接器，最好使用轧制钢板，同时，应该使用开卷矫直机矫直时使用。

2.1.3焊缝位置应该做到合理安排

在设计焊接结构时，为了减少梁、柱等类型结构的挠曲变形，要尽可能对称于截面中性轴，或者使焊缝接近中性轴，这能达到良好的效果。起重机械主梁机构中的盖板和腹板之间的拼接也需要合理地安排焊缝位置。为保证主梁的承载能力，从设计上要考虑到安全系数，从工艺上要考虑到盖板与腹板的接头不要设计在同一截面上，尽可能的错开距离不得小于200 mm。

2.2工艺措施

工艺措施是焊接结构制造过程采取的一系列措施，它可以分为焊前预防措施，焊接过程中的控制措施。

对焊前的必要预防措施如下。

焊前预防主要包括预应力和刚性固定组装法。

预应力法是基于预测焊接变形的方向及其大小的，待焊工件的装配和焊接残余变形时造成相反的方向从尺寸、预变形(变形)，抵消了预焊后变形焊接残余变形，恢复工件的大小和形状的设计要求。刚性固定装配的方法主要是采用夹具或者刚性夹具将尽可能固定焊接组件，这样可以有效地控制焊接角变形和弯曲变形的组件，等等。

起重机械主梁腹板的下料就是采用预应力法的一种典型代表。起重机械要求主梁成拱，而主梁成拱最常用的方法是腹板下料成拱法。此外预应力法中的预应力钢筋张拉法和预应力钢丝绳张拉法也可以预防和矫正起重机械桥架的焊接变形。

3　起重机械焊接变形的矫正

在组件焊接之后，只能通过纠正措施来减少或者消除残余变形的发生。焊后矫正措施主要分为加热、预应力和机械校正法校正方法。加热矫正其主要是分为整体和局部加热。

整体热矫正可以用来消除较大的形状偏差，其主要是指将整体构件加热至锻造温度以上再进行矫正的方法，不过焊后整体加热有其不可避免的限制因素，那就是极易引起冶金方面的副作用。

局部热矫正采用的方法是其直火焰局部加热，焊接结构在高温下，材料的热膨胀受到组件本身是刚性的，产生局部压缩变形，冷却后收缩，抵消部分焊接变形后的伸长，达到校正，使用通用焊枪火焰加热法，所以不需要特殊设备，方法简单、灵活，越来越广泛应用于生产。

此外，还有静力加压矫直法、焊缝滚压法、锤击法等，这些大都是利用机械力或者冲击能等进行焊接变形矫正。

4　结论

桥架型起重机械目前使用最为广泛的起重机械之一，其焊接变形也是起重机制造中的一个难题。综合上述分析，我们可以看出普通桥架型起重机械的焊接变形，和通常钢结构焊接变形及其类似。那么，针对钢结构焊接变形的各种因素，再结合桥架型起重机械的自身特点，通过选择合理的焊接顺序和工艺参数，来有效地控制桥架型起重机械的焊接变形，减少焊接变形所带来的各种危害。

[1] 徐超.隅撑支撑钢框架结构抗震性能分析[D].内蒙古工业大学，2013.

R197.39

C

1671-0711（2016）09（上）-0052-02