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1、弧形闸门制造焊接变形的预防和控制三峡发展溪洛渡工程监理部：李林峰摘要：弧形闸门多用来调节闸前水位，是大型的金属结构焊接件，在焊接过程中存在焊接量大，易于发生焊接变形的特点。因此，在弧门制造过程中采取有效的预防和控制焊接变形的措施，一方面能够大大降低弧门焊后矫形工作的难度，另一方面可以节省时间，节约人力、物力和财力，降低生产成本，创造效益。关键词：弧形闸门制造；焊接变形；预防；控制1 前言焊接过程实际上是在焊件局部区域加热后又冷却凝固的热过程，由于不均匀的温度场，导致焊件不均匀的膨胀和收缩，从而使焊件内部产生焊接应力而引起焊接变形。产生焊接变形的因素很多，其中主要与母材性能、焊接接头形式、焊缝截
2、面积、焊接规范、焊接方法、焊接位置、焊接顺序以及板料厚度等有关。因此，对焊接变形的预防和控制不仅要控制焊接过程和结构件本身，控制制造过程中的每个环节也至关重要。 下面以新疆伊犁河北岸干渠工程渠首孔口尺寸宽高为12.0m4.0m的泄洪冲砂闸门的制造过程为例，简析弧形闸门制造过程中焊接变形的预防和控制。 2 弧门制造焊接变形的预防与控制 2.1 弧门制造胎具的搭设 搭设弧门胎具前，应先根据弧门整体尺寸和主纵梁设计数量与间距，在地面浇筑基础混凝土时，为确保日后的弧门胎具钢支墩恰好能够支在主纵梁下面，在弧门主纵梁地面投影位置处预留锚筋，先确定弧门中心处主梁的钢支墩高度，再根据弧门弧度，确定其它每根主纵
3、梁位置处的钢支墩高度，在钢支墩顶部放置小千斤顶，利用水准仪配合进行现场放样，测量时要随时调整千斤顶的高度，以确保每个千斤顶顶部相对地面的绝对高度偏差严格控制在1mm之内，以保证千斤顶与弧门面板充分接触，然后将千斤顶点焊在钢支墩上，防止千斤顶发生位移，这样就从基础上预防了焊接变形的发生。 2.2 下料 弧形闸门各零部件在拼装时，预留间隙越大，焊接时熔敷在焊缝中的金属量越多，焊接变形越大，因此在拼装过程中，尽可能的顶紧所有间隙，能有效预防焊接变形的发生。下料的准确程度，是尽量减少拼装间隙的前提。钢板在下料的过程中，划线的极限偏差应符合表21的规定。表21 钢板划线的极限偏差序号项 目极限偏差（mm
4、）1宽度和长度12对角线相对差23对应边相对差14矢高（曲线部分）0.5钢板切割时需要预留切割加工余量，钢板切割完毕若还需要进行刨边，则应该预留刨边加工余量，各种切割加工余量参考值见表22。表22 钢板划线的极限偏差序号项 目加工余量1自动氧气切割23 mm2手动氧气切割34mm3氧气切割后进行切削加工45mm4剪切后进行切削加工34mm焊缝的焊接会引起钢板收缩变形，使钢板尺寸变小，这就要预留焊接收缩量，焊缝收缩变形量的参考值见表23和表24。表23 焊缝横向收缩量近似值 单位：mm/ m板厚单面V型坡口角焊缝X型坡口对接焊缝162.11.9202.62.4222.82.6 表24 焊缝纵向收
5、缩量近似值 单位：mm/ m对 接 焊 缝连 续 角 焊 缝0.150.300.200.40此外，温度差异对下料过程也有影响，温差影响计算公式如下：L= TL其中，L：板料变化值（mm） =0.000012 （常量） T：温度的变化 （） L：板料长度 （mm）总之，为了保证弧形闸门的整体尺寸制造尺寸，预防和控制焊接变形，在下料的过程中就必须考虑各种预留量的问题，所以说下料过程是预防和控制焊接变形的根本所在。2.3 梁焊接变形的预防和控制弧形闸门主次梁需要在卷板机上进行卷制，然后用样板检测弧度，只有达到设计要求后，才能准备焊接。弧门主次梁在焊后可能发生的变形有收缩变形、弯曲变形、扭曲变形和角变
6、形。为了有效预防焊接变形的发生，在组装时要选用合理的焊缝尺寸和坡口型式；将梁的腹板和翼缘板充分顶紧；尽可能减少焊缝的数量；合理安排焊缝位置，尽量使焊缝接近梁的中性轴；在下料时预留角变形量（4mm左右），或将反变形夹具固定在翼缘板上。在制定弧门主次梁的焊接工艺时，充分考虑了梁焊接变形的各种影响因素，并采取有效措施进行控制，避免了弧门主次梁的变形发生。梁的焊接工艺措施如下：2.3.1 焊接规范因为CO2气体保护焊能量比较集中，在进行薄板焊接时可比手工电弧焊减少焊接变形，表25列出了常用焊接方法的焊接规范。表25 手工电弧焊和CO2气体保护焊的焊接规范焊接方法焊接位置焊条直径（mm）焊接速度（mm/
7、min）焊接电流（A）手工电弧焊仰焊2.51201801101203.21452101301404.0165240150160立焊2.51301951201303.21552551401504.0180255160170平焊2.51352101201403.21552401401604.0200300180200CO2气体保护焊仰焊1.2250290150160立焊1.2265330160180平焊1.23004001802202.3.2 焊接层数焊缝的焊接层数是根据钢板厚度确定的，新疆伊犁河北岸干渠渠首弧门钢板厚度有4种规格，分别为=10 mm，=14 mm，=16 mm，=20 mm，因此
8、确定各焊缝的层数为34层。2.3.3 焊接顺序焊接时采取分中、对称、分段、同步、跳跃、退步的焊接方法，由两个焊工同时、同步逐层施焊（如图2-1）。焊接顺序：先焊、焊缝，再焊、焊缝（如图2-2）。2.4 面板焊接变形的预防和控制弧形闸门面板需要在卷板机上进行卷制，然后用样板检测弧度，只有达到设计要求后，才能准备焊接。因弧门面板尺寸较大，无法整体卷制，只能由多块板料拼装而成，因此便有多条纵横交错的焊缝存在，增加了产生变形的部位。面板的接缝是对接缝，可能发生的焊接变形主要是角变形。对这种变形的预防可采取定位控制法和反变形控制法，即在焊接面板之前，先用定位拉板或定位拉杆将面板与胎具固定，并在焊缝的两侧
9、压以重物，待焊缝完全冷却后将重物撤去，然后拆除定位板或定位拉杆，局部变形可根据反变形原理，在背缝清根的深浅上以及焊接线能量的大小上予以控制。由于新疆伊犁河北岸干渠渠首弧形闸门面板在焊接时采取了预防焊接变形的有效措施，而且制定了合理的焊接工艺措施，面板焊后基本没有产生焊接变形，局部微小变形利用反变形原理顺利矫形成功，面板焊接工艺如下：2.4.1 焊接规范见表25。2.4.2 坡口加工型式新疆伊犁河北岸干渠渠首弧门面板厚度为12mm，接缝属于对接缝，为预防面板焊接发生角变形，面板需要加工“X”型不对称坡口。焊接时，先焊接坡口较深的一面，一面焊完后，根据面板角变形的大小确定反面清根深度，在反面焊接过
10、程中要根据面板变形回复趋势随时调整焊接线能量的大小，以保证面板焊接完毕，平面弧度达到规范要求。2.4.3 焊接顺序 弧门面板由多块板料拼装而成，有多条纵横交错的焊缝存在，为有效控制焊接变形，面板焊接时应采取先焊短纵缝，再焊水平环焊缝（如图23）的焊接顺序，纵缝与环缝交叉的“T”型接头部位，为保证焊接质量，焊接前需要用角向磨光机或者用碳弧气刨机将该处去除，并打磨干净后再允许进行施焊。焊缝焊接时依然采取分中、对称、分段、同步、跳跃、退步的焊接方法，由偶数个焊工同时、同步逐层施焊。2.5 弧门门叶组焊焊接变形的预防和控制弧形闸门门叶整体组焊时，进行焊接变形预防与控制，是整个闸门制造过程中的关键环节，
11、若门叶在焊接过程中发生弯曲、扭曲变形，如果变形量很大，将会增加矫形难度，有的焊接变形甚至无法矫形，为此必须采取有效的预防措施来控制焊接变形的产生。弧门门叶在焊接过程中除会发生弯曲、扭曲变形外，还会发生节间连接板的波浪变形，面板的角变形、扭曲变形，边梁发生摆头变形以及弧门门叶分节切割焊接残余应力释放变形，下面分别阐述弧门门叶组焊过程中预防和控制焊接变形的措施。2.5.1 弧门门叶弯曲、扭曲变形的预防和控制为了避免弧门门叶发生弯曲和扭曲变形，在组装门叶的过程中，要预紧所有的间隙，包括预紧弧门面板与胎具千斤顶之间的间隙，局部零部件之间的间隙不应超过1mm，若间隙过大，要在间隙处优先进行母材堆焊，堆焊
12、到间隙合格后，再进行拼装焊缝的焊接，具体焊接工艺措施如下：2.5.1.1 焊接规范 见表25。2.5.1.2 焊接顺序首先以门叶垂直中心线（或隔板）、主梁中心线为界，将门叶分为偶数个对称的区域，采取由中心向外侧对称、分段、退步施焊。要求同时进行施焊的焊工是偶数个。焊接顺序：（1）边梁外侧筋板；（2）隔板与主梁腹板立缝，其中（1）（2）可同时进行焊接；（3）主梁与边梁腹板立缝；（4）梁系与面板之间的平角缝；（5）隔板与主梁后翼缘角缝、边梁后翼缘与主梁后翼缘平缝、隔板后翼缘与主梁后翼缘平缝。2.5.2 面板角变形的预防和控制对弧门面板角变形进行预防和控制最好是采用定位控制法，即在弧门门叶整体组装结
13、束后，将弧门面板和胎具用定位拉板或拉紧器焊牢。待门叶整体焊接结束完全冷却后，再将定位拉板或拉紧器拆除。2.5.3 弧门门叶节间连接板波浪变形的预防预防弧门门叶节间连接板的波浪变形采用的是在连接板与隔板焊接位置两侧各焊一块20mm厚钢板，增强连接板的钢度，减小连接板焊后发生变形的程度。2.5.4 弧门门叶边梁发生摆头变形的预防预防弧门门叶边梁发生摆头变形的措施是在边梁后翼缘与主梁后翼缘之间加焊支撑板，增强构件的钢度以防止变形的发生。在焊接时采取先焊边梁外侧筋板，再焊主梁与边梁腹板的角焊缝和后翼缘连接板焊缝，最后焊接边梁与连接板立缝的焊接顺序。也可以在焊接之前预留一定的反变形量，防止边梁发生摆头。
14、2.5.5 弧门门叶分节切割焊接残余应力释放变形预防弧门门叶分节切割焊接残余应力释放变形采用的是在分节切割部位焊接一条100宽，20mm厚的钢板，增强分割部位的钢度，同时在主梁、次梁、面板之间加焊型钢支撑，尽量减小焊接残余应力释放时的对弧门门叶的影响。2.6 结果新疆伊犁河北岸干渠渠首六扇泄洪冲砂弧门在制造过程中，由于采取了有效措施，对施工中能够导致弧门焊接变形的各个环节进行了切实可行的预防和控制，弧门下胎后，没有发生诸如弯曲、扭曲以及波浪等焊接变形，局部出现的微小角变形，通过火焰矫正法顺利矫形。实践证明，弧门制作过程中对焊接变形进行有效的预防和控制，保证了闸门的总体制造质量，避免了质量事故的发生，节省了时间、人力、物力和财力，降低了生产成本，创造了效益。3 结语3.1 弧形闸门在制造过程中，预防和控制其焊接变形的措施并不是唯一的，有待于我们在实际工作中逐步积累。3.2 焊接变形实际上是一个很复杂的问题，它会受到许多因素的影响和制约。实际上影响和制约焊接变形的这些因素在整个焊接过程中又在不断地变化着，如周围环境气温的不断变化，操作者的焊接速度、焊接电流等的不断变化，也会影响到焊接结构从而发生焊接变形。因此，在焊接过程中，有可能还会出现异常变形，为避免这种情
