鋼閘門(mén)制作過(guò)程焊接變形的預(yù)防和控制措施研究

婁曉路

（貴州中水建設(shè)管理股份有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550002）

在水利工程建設(shè)過(guò)程中，鋼閘門(mén)是水工建筑物的重要構(gòu)件。從結(jié)構(gòu)上來(lái)看，鋼閘門(mén)主要由面板、主次梁、水封、支承及起吊連接等裝置組成。鋼閘門(mén)在設(shè)計(jì)和制備過(guò)程中，需要嚴(yán)格按照規(guī)范進(jìn)行，否則會(huì)對(duì)水利工程的工程質(zhì)量產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響電站的安全運(yùn)行。然而，當(dāng)前因某些原因，往往會(huì)導(dǎo)致鋼閘門(mén)在制備過(guò)程中容易出現(xiàn)焊接變形的情形，使得閘門(mén)不能符合要求，影響使用安全和使用效果。為了保證水利工程的施工質(zhì)量，提升鋼閘門(mén)的使用效果，水利工程人員需要對(duì)焊接過(guò)程中影響變形的原因進(jìn)行詳細(xì)分析，并對(duì)影響因素進(jìn)行針對(duì)性控制，從而保證焊接質(zhì)量。

1 鋼閘門(mén)制作過(guò)程中存在的問(wèn)題

結(jié)合某鋼閘門(mén)的實(shí)例對(duì)其制作過(guò)程中存在的問(wèn)題進(jìn)行分析。通過(guò)對(duì)制作完成的鋼閘門(mén)進(jìn)行外觀檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)：鋼閘門(mén)整體面板能夠保持平整，但在某些局部區(qū)域范圍內(nèi)，存在較大的變形，不能滿足設(shè)計(jì)要求。一般情況下，鋼閘門(mén)的尺寸要求規(guī)定：面板的厚度低于10mm，其尺寸變形需控制在6mm范圍以內(nèi)，因此面板的厚度范圍為10mm～16mm。通過(guò)鋼閘門(mén)的外觀檢測(cè)，其面板局部的變形尺寸達(dá)到8mm，超出規(guī)定的尺寸要求。這樣不僅會(huì)影響外觀的美觀性，更重要的是影響止水性能，影響使用安全。目前，針對(duì)此種不平整的情況，一般通過(guò)噴火進(jìn)行整平，不僅極大延長(zhǎng)制作周期，也會(huì)較大影響承載能力。

2 焊接方法概述

焊接方法的不同，對(duì)最終焊接質(zhì)量有直接的影響。

2.1 焊條電弧焊

電弧焊接方式利用焊條和焊接為電極，利用電極陰陽(yáng)兩級(jí)之間產(chǎn)生的電弧熱進(jìn)行焊接，在焊接過(guò)程中，電弧熱能夠有效地融化焊接金屬和母體，隨著熱源的移動(dòng)，母體的不同位置進(jìn)行融化、冷卻形成焊縫。電弧焊接具有操作簡(jiǎn)單，投資少等優(yōu)勢(shì)，適用于不同位置的焊接。目前幾乎所有的金屬焊接均可以使用電弧焊接方式。另外，該焊接方式不受焊接位置和地點(diǎn)的約束，適用性強(qiáng)。

2.2 氬弧焊

氬弧焊接是一種使用惰性氣體為保護(hù)氣體的電弧焊接方式。其主要的優(yōu)勢(shì)為保護(hù)效果好、熱影響區(qū)域相對(duì)較窄，在耐熱鋼、不銹鋼和有色金屬焊接方面具有優(yōu)勢(shì)。因氬氣是一種良好的惰性氣體，不與金屬發(fā)生作用，因此在焊接過(guò)程中對(duì)于金屬的保護(hù)效果較好，焊接質(zhì)量高。氬弧焊接可以分為鎢極氬弧焊和熔化極氬弧焊。兩種方式區(qū)別之處是鎢極氬弧焊使用鎢棒作為電極，而熔化極氬弧焊使用焊絲作為電極使用。

在焊接過(guò)程中，需要對(duì)焊接過(guò)程中的輸入熱量進(jìn)行著重控制，一般采用較小的焊條直徑、較低的層間溫度和小的焊接線能量，可以提升沖擊韌性。對(duì)焊接接頭進(jìn)行焊接后的熱處理工作。

3 鋼閘門(mén)焊接變形原因分析

3.1 焊接變形

焊接實(shí)際上是一個(gè)金屬加熱融化、再冷卻的過(guò)程，焊接過(guò)程中引發(fā)鋼閘門(mén)變形的主要表現(xiàn)是表面不平整，局部的變形超出設(shè)計(jì)規(guī)定范圍。在鋼閘門(mén)實(shí)際的焊接過(guò)程中，由于局部的受熱影響，鋼閘門(mén)會(huì)在溫度場(chǎng)的條件下產(chǎn)生膨脹和冷卻效應(yīng)，然而局部受熱區(qū)域的約束力較為復(fù)雜，工件很難進(jìn)行自由的收縮和膨脹作用。在工件冷卻中，焊接加熱局部部位發(fā)生壓縮變形，變形的部位又不能自由的收縮導(dǎo)致出現(xiàn)拉伸應(yīng)力，在內(nèi)部不均勻作用力的影響下，工件會(huì)出現(xiàn)外觀的尺寸變形情況，產(chǎn)生焊接形變。焊接變形和殘余應(yīng)力的產(chǎn)生原因有：焊接過(guò)程中，因焊接高溫影響，產(chǎn)生塑形的變化；熔化金屬固化時(shí)，工件熱膨脹遇冷產(chǎn)生收縮塑形變化。

焊接過(guò)程中的焊接變形和殘余應(yīng)力的影響因素較多，如材料本身的性能差別（膨脹系數(shù)、屈服應(yīng)力）、工件的外觀形狀（一般工件越復(fù)雜，越容易出現(xiàn)焊接變形情況）、焊接工藝等，因此對(duì)鋼閘門(mén)進(jìn)行質(zhì)量控制的首要工作是要控制焊接過(guò)程中產(chǎn)生的變形量。一般情況下，焊接過(guò)程總會(huì)產(chǎn)生焊接變形，需要對(duì)其影響因素進(jìn)行著重控制，保證變形量在規(guī)范范圍內(nèi)即可。

3.2 焊接變形類(lèi)型

鋼閘門(mén)在受熱情況下會(huì)產(chǎn)生熱膨脹和收縮變形情況，按照變形的類(lèi)型不同，可以分為縱向和橫向變形、彎曲和扭曲變形、角變形和波浪變形。在上述變形類(lèi)型中，角變形和彎曲變形是導(dǎo)致鋼閘門(mén)異常變形的主要原因。

（1）彎曲變形。彎曲變形的產(chǎn)生主要是由于焊接過(guò)程中焊縫的控制出現(xiàn)角度偏差，焊縫如果偏離鋼閘門(mén)的截面中性軸，無(wú)論變形是橫向收縮還是縱向收縮，均會(huì)導(dǎo)致彎曲變形的出現(xiàn)。

（2）角變形。角變形產(chǎn)生的直接原因是工件的橫向收縮在厚度上出現(xiàn)應(yīng)力不均勻的情況。一般在對(duì)接焊接和T型焊接中最為常見(jiàn)。對(duì)接焊接過(guò)程中，角變形的出現(xiàn)與坡口角度有關(guān)。因此，坡口應(yīng)采用機(jī)械加工形式進(jìn)行制備，對(duì)坡口進(jìn)行焊接之前，需要清除其表面的熱切割硬化層，可以通過(guò)表面的硬度測(cè)試來(lái)鑒別硬化層是否清除完畢。接頭坡口的形式和原則是在保證合理焊接的基礎(chǔ)上，盡量減少坡口的橫截面。焊縫根部充分焊接的情況下盡量減少坡口張開(kāi)角，減小坡口的寬度。通過(guò)上述控制，可以充分保證焊接在較短的時(shí)間內(nèi)完成，從而能夠?qū)崿F(xiàn)等溫焊接工藝過(guò)程，保證焊接的質(zhì)量。T型焊接過(guò)程中，焊角高度越大，越容易出現(xiàn)角變形，因此需要對(duì)焊角高度進(jìn)行合理控制。

4 鋼閘門(mén)焊接變形的有效控制措施

4.1 設(shè)計(jì)措施

（1）選擇合理的焊縫尺寸和焊接方法，不同的焊接方法對(duì)焊接質(zhì)量控制具有直接的關(guān)系。

（2）盡量控制減少焊接接縫的數(shù)量，從而保證焊接變形的較少發(fā)生。

（3）焊縫的位置盡量保證其在截面的中性軸位置上，確保不會(huì)出現(xiàn)變形出現(xiàn)。

4.2 施工工藝措施

（1）反變形法：在對(duì)工件進(jìn)行焊接過(guò)程中，人為施加一個(gè)反方向的變形，使得兩個(gè)變形在焊接完成后能夠自動(dòng)抵消，從而達(dá)到焊接表明尺寸控制的目的。實(shí)際反變形施加的大小需要結(jié)合實(shí)際的施工情況試驗(yàn)而定。

（2）焊接方法：為了更好地實(shí)現(xiàn)焊接過(guò)程中的熱量控制，可以選擇熱源相對(duì)集中的焊接方法（二氧化碳保護(hù)焊），按照合理的焊接工藝順序進(jìn)行焊接有助于控制焊接過(guò)程中的殘余應(yīng)力，一般需要遵循先對(duì)接，后角接。

4.3 焊材的合理管理與選擇

為保證焊接的質(zhì)量，需要對(duì)焊材進(jìn)行品質(zhì)控制，首先對(duì)來(lái)樣進(jìn)行嚴(yán)格的質(zhì)量檢測(cè)，篩選出不滿足要求的焊材。另外，焊材的存儲(chǔ)環(huán)境需要進(jìn)行控制，一般需要保證環(huán)境中的溫度在5℃以上，環(huán)境濕度不超過(guò)60%，否則需要進(jìn)行除濕。倉(cāng)管需要每天定時(shí)檢測(cè)環(huán)境的溫度和濕度。焊條使用前，需要按照使用說(shuō)明進(jìn)行烘干處理，烘干時(shí)升溫速度一般控制在每小時(shí)150℃以下，避免升溫速度過(guò)快對(duì)藥皮產(chǎn)生開(kāi)裂影響。

為了保證焊接接頭與母體具有相同的高溫蠕變性能及抗氧化性能。為保證接頭的高溫強(qiáng)度，焊接金屬需與母體的材質(zhì)具有相同含量的鉻和鉬含量。而過(guò)高的鉻含量會(huì)在焊接過(guò)程中形成復(fù)雜的碳化物，對(duì)焊接質(zhì)量產(chǎn)生影響。因此，可以選用鈮、釩等元素對(duì)鉻鉬鋼滲合金，這些合金產(chǎn)生的碳化物在短時(shí)間的焊接熱周期內(nèi)來(lái)不及溶解到固熔體中，提高金屬的韌性和抗裂性能。

另外，可以對(duì)坡口位置進(jìn)行均勻加熱，保證其熱變形一致，達(dá)到變形的控制。在進(jìn)行坡口預(yù)熱時(shí)，一般采用熱電偶加熱方式，當(dāng)熱電偶溫度達(dá)到規(guī)定要求后，需要保持幾分鐘，保證坡口位置能夠充分加熱。采用紅外探測(cè)坡口表面溫度，當(dāng)其達(dá)到規(guī)定溫度值后，方可停止預(yù)熱。

當(dāng)加熱器在焊接接縫兩側(cè)進(jìn)行預(yù)熱時(shí)，加熱的寬度控制如下：自待焊接焊縫邊沿始計(jì)算，每側(cè)的加熱寬度不應(yīng)低于厚度的4倍。用繩形加熱器進(jìn)行預(yù)熱操作時(shí)，坡口兩側(cè)布置的加熱器線圈的纏繞數(shù)盡量保持一致，兩側(cè)加熱速度保持均一。

5 結(jié)語(yǔ)

不同的焊接方法會(huì)對(duì)焊接質(zhì)量產(chǎn)生不同的影響，針對(duì)鋼閘門(mén)焊接的特點(diǎn)，采用二氧化碳保護(hù)焊接更具有優(yōu)勢(shì)。通過(guò)對(duì)焊接變形的原因和主要類(lèi)型進(jìn)行分析，可以明確影響變形的主要因素，在此基礎(chǔ)上選擇合理的焊接方式、焊接前的預(yù)處理手段可以有效控制焊接產(chǎn)生的變形量。