塔机上下弦杆角钢扣方焊接变形控制技术

李泉忻

(太原市建设工程质量安全站，山西 太原 030000)

1 概述

起重臂是塔式起重机的关键部件之一，主要由数节臂通过接头耳板和导向销孔用螺栓连接在一起的结构式焊件[1]；其中，上下弦杆作为主要传力和受力部件，其焊接质量直接影响塔机使用寿命和安全性能，特别是下弦杆，它既是受力杆件又是变幅小车的轨道，必须满足直线度、平面度、平行度和垂直度等技术要求[2]。因此，塔机上下弦杆的焊接变形控制是整机制造质量控制的重中之重。

受塔机大型化趋势影响，采用两个等边角钢进行扣方焊接是目前上下弦杆制造的常见方法之一[3]。但由于大型塔机上下弦杆普遍长度较长且散热空间受限，往往会产生较大的焊接变形[4]。传统生产工艺通常采用简单丝杠工装固定并用气体保护焊分段分层逐步焊接，后经调直机调直成型的工艺方案，但是效果并不理想且会增加残余应力，效率也较低。

针对角钢扣方易变形、需求量大、精度要求高、工作效率低等问题，本文采用了防变形液压式角钢扣方工作台结合埋弧自动焊接技术，将扣方角钢固定于旋转夹紧框架中，并采用埋弧焊相向行走焊接的方式，有效改善焊接变形量，提高焊接质量和工作效率。

2 角钢扣方焊接工艺

2.1 角钢扣方焊接技术要求

本文研究对象为两个角钢对接而成的方管(见图1)，形成上下两道焊缝，焊接技术要求如下：

1)角钢扣方焊件的材料主要是Q420/Q355，均为低合金高强度结构钢。2)角钢尺寸：长度为9 000 mm～12 000 mm，厚度为12 mm～14 mm，边长为135 mm～152 mm。3)焊接形式为角焊缝。4)完全焊接前首先清理焊接表面并进行点焊，固定两角钢成半成品，如图1(c)所示。5)焊接线能量按设计文件及要求调整设置，当温度低于5 ℃时，焊条应进行保温，焊接过程风速不应大于2 m/s。6)焊道成形好，焊接完成后，焊缝美观、质量好，不得出现未焊透、气孔、夹渣、咬边等现象。

综上所述，要求焊缝应成型美观、效率高、质量好。

2.2 角钢扣方生产工艺

角钢扣方焊接一般包括三个流程：待焊角钢的焊前处理→电弧焊接→焊后处理检测。角钢是批量成品，焊前需要对焊接处进行打磨，随后进行人工点焊和全面焊接，焊接完成后需进行外观质量和尺寸检测，基本流程如图2所示。

2.3 角钢扣方焊接现状

目前，国内大部分塔机生产制造企业对上下弦杆的角钢扣方作业大多采用带“V”形坡口的工装定位+人工电弧焊的方式。当待焊的扣方角钢长度较长时，该工艺方法要求数米长度范围内放置一个工装台，角钢与工装中心必须对准，另一根角钢由行车吊装就位，采用简单丝杠工装固定两角钢以保证对扣接触面间隙，位置精度要求较高，两角钢对扣接触面间隙只能整体调整，无法根据实际情况分段调整，操作难度大，精度难以保证；且初层焊道采用分段跳焊形式，由两名焊工采用气体保护焊在待焊扣方角钢两端同时相向对称施焊，焊接后的扣方角钢扭曲程度、直线度难以保证，需用调直机最终调直成型，焊接工作环境恶劣，工作效率较低[5]。

3 角钢扣方焊接变形控制技术方案

针对2.3角钢扣方焊接现状中描述的传统简单丝杠工装固定+气体保护分段焊中易出现焊接变形且效率低的情况，本文设计了一种角钢扣方焊接变形控制整体技术方案，采用了一种防变形液压式角钢扣方工作台，通过该装置实现角钢扣方变形控制和自动回转，达到高尺寸精度、高焊接效率的目标。整体技术方案流程见图3。

3.1 液压式角钢扣方工作台结构与工作原理

该工作台主要由工作台本体、液压夹紧系统和电机翻转系统组成。工作台本体由旋转框架、支座和支腿等构成，旋转框架由槽钢对口焊接而成；支座上安装滚动轴承，通过贯穿旋转框架的一根旋转轴连接翻转电机和减速器；旋转框架的两侧壁中部对称装有9对水平放置的液压油缸，每个液压油缸的活塞杆端部连接有带“V”形坡口的移动顶块；旋转框架的斜对角面固定有下埋弧焊机导轨和上埋弧焊机导轨，工作台具体结构如图4所示。

其工作原理是利用工作台一侧高密度均布液压油缸和两侧V型顶块向角钢施加较大的预紧力来限制其焊接变形量，并通过电机、减速器、转轴、轴承等使角钢焊件做回转运动，旋转180°后另一条焊缝朝上，旋转框架上的导轨配合两台埋弧焊机实现相向行走焊接，最终达到控制变形、提高焊接效率的目的。相较于传统工艺，其优点在于：

1)旋转框架前后侧壁均由方钢制成，上下埋弧焊机导轨与旋转框架之间采用连接板连接，合理可靠的结构设计提高了待焊扣方角钢对工装台的受力稳定性。

2)液压夹紧系统可以通过调节各对液压缸的压力从而实现对长角钢部分范围内的分段夹紧，有效解决了角钢运输或储存过程中可能出现的局部变形等问题。

3)应用电机翻转定位和自动埋弧焊技术，大大提高了自动化程度，能有效减小操作的辅助时间和劳动力，且夹紧定位可靠，并可保证工件在焊接后产生很小的变形(直线度达1/3 000)，无需调直，即可达到扣方管的尺寸精度要求，极大地简化了工序。

3.2 焊接方法选择

随着现代工业生产的需要和科学技术的蓬勃进展，焊接技术不断进步，方法种类也越来越多，分类如图5所示[6]。

目前，工业中应用最为广泛的焊接方法是电弧焊，其中又以手工电弧焊、气体保护电弧焊和埋弧焊较为常见[7]。手工电弧焊适应性强，但质量波动大，要求焊工等级高；气体保护电弧焊没有熔渣，焊接质量较好，但飞溅较大，施工条件易受限制；相比于手工电弧焊和气体保护电弧焊，埋弧焊主要具有以下3项突出优点[8-10]：

1)生产率高，埋弧焊的焊丝伸出长度较短(约50 mm)，可使用较大焊接电流，熔深大；且埋弧焊丝直径较粗，可达5 mm左右，相较于气体电弧焊的1.2 mm左右的焊丝，可实现单面焊缝一道焊缝一次成型，生产效率大大提高。

2)焊接质量高，熔渣隔绝空气的保护效果好，焊接参数可以通过自动调节保持稳定，且为自动化焊接作业，降低了焊工技术水平的影响，焊缝成分稳定，机械性能比较好。

3)焊剂和焊渣隔热、隔强光能力突出且烟尘少，对操作人员影响小，同时还能延长金属溶液冷却时间，便于与焊剂发生冶金反应，操作简单，工作条件良好。综上所述，本方案中选择使用埋弧焊完成角钢扣方的焊接作业。

3.3 具体操作方法

1)将点焊成型后的角钢用行车吊装于图4中旋转框架间，启动液压缸将工件夹紧于V型顶块1和2之间。

2)将两台埋弧焊机分别置于导轨两端，调整好与焊缝间位置，开始施焊并沿导轨分别由两端向中间相向行走，焊接完成后检查焊缝质量并及时处理。

3)待上侧焊缝施焊成型后，移走埋弧焊机，启动侧端电机带动旋转框架翻转180°，并重复上述步骤2)。

4)待焊接全部完成并自然冷却至一定温度后，用行车将工件卸下，完成角钢扣方焊接。

4 结语

针对传统塔机上下弦杆生产过程中较长的角钢扣方焊接作业易出现焊接变形从而影响尺寸精度的情况，应用可分段夹紧和自动翻转的工作台和自动埋弧焊技术，提出了一种焊接变形控制技术方案，改进了角钢扣方的装夹和焊接工艺，根据实际生产统计，生产效率提高约4.8倍，成型尺寸精度大大提高，焊接变形量明显减少，具有良好的应用价值。