起重机塔身标准节焊接变形控制及预防方法

2022-08-29罗宇德

中国新技术新产品 2022年10期

罗宇德

（广西建工集团建筑机械制造有限责任公司，广西南宁 530029）

塔式起重机（以下简称塔机）具有足够的起升高度、较大的工作效幅度和工作空间，在现代工程建设中被越来越广泛地使用。塔机的主要结构件标准节需求量大，已经实现了专业化生产，大量应用了专用的生产设备和工艺工装，不仅提高了其生产效率，而且有效地保证了塔机标准的精度要求。该文将对塔机片状标准节焊接变形的影响因素、控制措施和方法进行阐述。

1 片状标准节的结构

塔机标准节按照结构形式可分为整体式标准节和片式标准节，其中，片式标准节由四榀独立的型钢架组成，四榀型钢架通过铰制孔螺栓连接在一起组成一节标准节；片式标准节的结构如图1所示，结构非对称，由厚度不同的型钢和板材焊接而成，件1、3、4、5为钢板，其厚度与件6角钢的翼板厚度相当，而件2为角钢，其厚度要比上述零件要薄一些。

图1 片状标准节

2 片状标准节焊接变形分析

2.1 焊接变形产生的原因

片式标准节在施焊时，因为受焊接热量迅速输入而造成工件局部膨胀，所以在标准节内部产生焊接内应力与局部变形；焊缝熔融金属冷却时由液态转为固态，此时会产生新的晶核和体积收缩。由于焊缝金属与母材是熔融结合的，焊缝及临近焊缝区温度已远超700℃，因此只需要很小的力就会让焊缝周边钢材产生塑性变形，同时在焊缝中引起残余内应力。焊接变形的根本原因是标准节在焊接过程中不均匀加热和冷却形成不同的温度而造成的。

2.2 片状标准节焊接变形的分类

焊接变形主要有板平面内的变形（横向收缩、纵向收缩、回转变形）和板平面外的变形（横向弯曲变形-角变形、纵向弯曲变形、弯曲产生的波浪变形、扭曲变形）。在图1中，件1、5与件6施焊时会产生焊缝的纵向（沿焊缝方向）和横向（垂直焊缝方向）的收缩变形，以及焊接过程中尚未进行焊接部分的坡口加宽或者变窄而引起的回转变形。件2与件1、3、4、5施焊时，由于V型坡口对接焊焊缝布置不对称，造成焊缝上下横向收缩量不均匀，因此存在因对接焊焊缝布置不对称而造成横向弯曲变形（角变形），以及在堆焊或者角焊时焊缝偏离工件的中心线而造成纵向弯曲变形；还因存在焊接过程中焊接顺序和焊接方向不合理而导致工件扭曲，又称为螺旋形变形挠曲变形；且件2的厚度比件1、3、4、5薄，焊后构件易形成波浪变形。

3 焊接应力与变形的形成机理

焊接应力与变形的主要决定因素是焊接时局部不均匀热输入，热输入是通过金属材料因素、焊接接头的形状及拘束和制造因素而影响热源周围的金属运动，最终形成了焊接应力与变形。因此，影响焊接应力与变形因素主要分为金属材料因素、焊接接头的形状和尺寸、焊接工艺参数三个方面。

3.1 金属材料因素的影响

金属材料的焊接性能对焊接变形有很大影响，金属的化学成分不同，其焊接性也不同。一般塔机的标准节用料基本为低合金高强度结构钢Q355，综合性能好，低温性能好，冷冲压性能，焊接性能和可切削性能好。

3.2 焊接接头的形状和尺寸的影响

标准节焊接接头的形状和尺寸的设计对焊接变形的影响最关键，也最直接。焊接接头的形状和尺寸必须考虑结构特点、材料特性，其中金属材料具有良好的焊接性；还应易于实现机械化和自动化焊接。标准节在使用中主要关注H的宽度以及3、4连接板与7鱼尾连接板的空间形位公差，在设计标准节结构时，应合理地安排连接板和腹杆的焊缝数量和大小，因为在同一条件下，焊缝越小，板件的临界失稳压应力越小，所以要尽量以构件截面的中性轴为对称轴，焊缝不宜过长、过多、过于集中。在件1、5连接板与件6主角钢的对接焊缝设计中，应采用板件厚度高、焊缝长度短的原则。因此，塔机标准节在设计焊接接头形状和尺寸时应针对连接板的厚度、主弦杆及腹杆或带孔连接板的位置和数量等进行优化，以使焊接应力与变形产生的量降到最低。

3.3 焊接工艺参数的影响

焊接工艺参数的影响主要分为对焊接方法、焊接接头形式、焊接层数的影响。

在标准节结构焊接中常用的焊接方法为CO气体保护焊，在实际生产中CO气体保护焊施焊部位的可见度好，操作方便；CO气体价格低，焊接成本低于其他焊接方法；可采用较大的焊接电流，使焊丝熔化速度快，焊接时无焊渣，生产效率高；CO气体保护焊电弧加热集中，焊件受热面积小，加上气流的冷却作用，可减少焊接应力和变形。

实际生产中CO气体保护焊焊丝型号为ER50-6，焊丝直径为1.2mm，焊丝应符合GB/T8110-2020《气体保护电弧焊用碳钢、低合金钢焊丝》要求，为得到较好的焊接效果，生产人员要严格执行焊接规程及相应的焊接工艺参数。焊接前准备，CO气体应不低于HG/T 2537优等品的要求，Ar气应符合GB/T 10624的要求，Ar+CO的配比为80∶20。使用瓶装CO气体时应设置气体预热装置。由于瓶装液态CO可溶解水，多余的水成自由状态汇于瓶底，水分会随一起挥发，以水蒸气混入焊接气体中，影响气体纯度，而且瓶压超低，水蒸气含量越高，当瓶内压力低于980kPa时应停止使用；气体用钢瓶使用前应做倒置放水处理，即将钢瓶倒立静置 1h～2h 后，再开启阀门，把沉积在瓶口的自由状态水排出；在供气管道中应设置高压干燥器和低压干燥器，以进一步减少CO气体中的水分。塔机的主要结构件标准节需求量大，已经实现了专业化生产，大量应用了专用的生产设备和工艺装备，使其生产效率高。由于件6主弦杆焊接填充量大，在实际生产中先作为一个独立的工件进行生产，件6的拼焊及焊接都由专用的拼焊工装及焊接工作站完成，件6主弦杆完成制作后再与标准节其他零部件拼焊成片式结构，拼焊和焊接都是在专用的拼焊工装上完成。采用焊接机械手与伺服变位机的配合，可以完成标准节所有焊缝的覆盖。采用焊接机械手代替手工操作是目前焊接生产中比较常见的现象，这样可以稳定和提高焊接质量，且很好地保证标准节一致性，提高生产效率，一天可以24小时连续生产；有效改善了工人的劳动条件，降低对工作操作技术的要求。当采用CO气体保护焊时，除根部和盖面层外，坡口焊缝每层厚度不应超过5mm。当标准节鱼尾板的焊层宽度超过16mm时，全部多道焊缝均应采用错层焊工艺。

焊接接头中，表面堆焊变形相对较小；“T”形角接接头和搭接接头时，其焊缝横向收缩情况与堆焊相似；对接接头在单道（层）焊的情况下，其焊缝横向收缩比堆焊和角焊大，在单面焊时坡口角度大，板厚上、下收缩量差别大，因此角变形较大；双面焊时情况有所不同，随着坡口角度和间隙的变小，横向收缩减少，同时角变形也变小；焊缝中焊接层数的影响，焊接层数越多，横向变形和纵向变形量越小。

焊接工艺参数对焊接变形的影响也是很直接的，对不同的标准节焊接位置采取不同的焊接参数，能最大程度地保证焊接质量及减少焊接变形；如电压过高时，电弧稳定性差、飞溅大、焊丝爆断、电压过低以及熔深浅等问题，因此在焊接过程中，要选择合适的工艺参数。如焊接电流，当其他参数保持恒定时，焊接电流与送丝速度呈非线性变化；当送丝速度增加时，焊接电流也随之增大。在焊丝直径为1.2mm 时，随着焊接电流的增大，熔化速度以更高的速度增加，此时变为非线性；选择合适的焊接电流可以获得稳定的脉冲喷射过渡，从而有利于焊接效果。根据经验，焊丝直径小于或等于1.2mm 时，气体流量一般为15L/min～20L/min；焊丝直径大于1.2mm时，气体流量应取15L/min～25L/min。根据国家标准GB/T985-2008《气焊、焊条电弧焊及气体保护焊焊缝坡口的基本形式与尺寸》规定，为了达到完全熔透的目的，塔机标准节件1、5与件6焊接形式参照图2坡口形式进行。

图2 件1、5与件6水平对接焊形式

随着双丝焊接、激光复合焊和摩擦焊接工艺的成熟，相信这些焊接工艺以后可以应用到塔机生产中，使焊接变形更好地得到控制。特别是激光-MAG复合焊接的成熟应用，可以很好地解决板件的对接和角接焊接变形问题，可以在小坡口（或者是可以完成不开坡口）、熔深大、焊缝成型好、焊接缺陷少的功能特点上很好实现单面焊接，双面成形，在保证焊接质量要求的前提下省去工件翻转时间，降低焊接作业时间；还可以实现双枪双侧主焊缝同时对称焊接的工艺方案，不仅能提高焊接效率，还可以大幅度减少焊接变形。而且将焊接接头设计成“I”形对接接头，不开坡口，减少焊材消耗，省去开坡口工序，提高作业效率；该工艺很好地响应了国家绿色制造及节能减排高质量发展号召。

4 片状标准节焊接变形预防与控制

片状标准节焊接变形控制与预防采用以下工艺技术：焊前预防措施、焊接过程中的控制措施和焊后矫正。

4.1 焊前预防措施

焊前预防措施主要包括反变形法、预拉伸法、刚性固定法。

图1中件1、5连接板与件6主弦杆焊接时，可采用反变形法控制变形。为了抵消或减少这种焊接变形，根据预测的焊接变形大小和方向，在待焊工件组焊时造成与焊接残余变形大小相当、方向相反的预变形量（图3），焊接冷却后，焊接残余变形抵消了预变形量，使构件恢复设计要求的几何型面和尺寸。根据经验值预设准确，结合反变形方法，设计制作片式标准节拼焊工装。

图3 在不同工件上采用反变形措施

预拉伸法多用于薄板平面，片式标准节在焊接前，用机械方法（拼焊模）刚性固定，与反变形法道理相似，在设计制作标准节片式焊接模具时，根据实践经验把图1中件3、4件的定位尺寸H进行预拉伸，根据图纸加大一定尺寸，焊接完成后，去除预拉伸量标准节就回复到预想状态。

焊前预热也是一种常见的预防焊接变形方法，由于操作不便与加热成本高在标准节焊接生产中不常用，且反变形和预拉伸法基本已经达到效果。

刚性固定法是采用夹具和刚性工装模具将标准节各部件加以固定来限制焊接变形。虽然刚性固定可以减少焊接变形，但是会产生较大的焊接应力，其效果远不如反变形法。

4.2 焊中控制

焊接过程中控制焊接变形可以通过合理的焊接方向和合理的焊接顺序来实现。选择合理的施焊顺序也是控制焊接变形的有效手段，对片式标准节构件，适当地拆分成几个零件，最后再拼焊成整体，如件标准节中件1和件6先进行施焊，使焊缝能自由地收缩，避免引起标准节整体结构的变形；对截面形状、焊缝布置均匀对称的焊件，应采用对称焊接施工，但是标准节不对称焊缝，因此应先施焊焊缝少的一侧再焊接焊缝多的一侧，使后焊一侧的变形足以抵消先焊一侧的变形，以减少标准节整体变形。图1中件1、5连接板与件6主弦杆焊接时，可采用此焊接顺序来控制变形；焊接中可以采用逆向分段退焊法，如图4所示，同一条或同一直线的若干条焊缝，采用自中间向两侧分段退焊的方法可以有效地控制残余变形。

图4 分段退焊法

4.3 焊后矫正

标准节焊后变形量超过技术要求的几何型面和尺寸应进行矫正，目前生产中常应用到的变形矫正方法可归纳为机械矫正法和加热矫正法。标准节的焊后矫正一般不采用加热矫正法，常用的为机械矫正法，使用液压压力机对标准节变形区域进行机械顶压，造成一个新的变形去抵消已经发生的变形，使标准节结构产生与焊接变形方向相反的塑性变形，两者互相抵消，达到矫正效果。

在标准节焊接生产过程中，刚性固定法防止弯曲变形的效果远不如反变形法和预拉伸法，设计合理的标准节结构和制定最优的焊接工艺参数、施焊措施以及应用一定的变形矫正方法，就可有效对焊接应力和变形进行控制，将变形量控制到最小，有效保证标准节的产品质量。随着双丝焊接、激光复合焊接和摩擦焊接技术的成熟，将有可能改变现有的焊接工艺，对焊接变形的控制及预防更加高效。