自動扶梯桁架焊接變形控制與火焰矯正措施

□ 張 書 □ 杜相鋒 □ 夏龍軍

1．中山職業技術學院 電子信息工程系 廣東中山 528404

2．蒂森克虜伯扶梯（中國）有限公司 廣東中山 528437

自動扶梯是一種大型的特種設備，其桁架部分則是自動扶梯的基礎構件，起著連接建筑物兩個不同高度地面、承載各種載荷及安裝支撐所有零部件的作用，是關系自動扶梯整體壽命及安全運行的關鍵所在［1］。自動扶梯的桁架一般多采用型材，以焊接的形式來完成，如槽鋼、角鋼等。型材在焊接過程中需要經過一系列的加熱、冷卻，必然會產生變形，影響裝配精度，降低桁架整體結構承載力。本文分析產生自動扶梯桁架焊接變形的原因，提出控制措施，同時對不可避免而產生的焊接變形采取火焰矯正方法，以保證自動扶梯制造、安裝對桁架質量的要求。

1 自動扶梯桁架結構

自動扶梯的桁架是由型材連接而組成的一個箱形、敞開型的結構，其側面視圖如圖1所示，表示桁架的一段，雖然桁架的各段尺寸不同，但結構形式和基本尺寸相同，自動扶梯桁架正面視圖如圖2所示。上弦桿和下弦桿由立柱連接，桁架左單側和右單側由中間橫梁和底部橫梁連接，下部封有較薄的防漏油底板，同側的每兩根立柱之間連接一根斜梁，拐角處有加強板，起到增大強度的作用。上、下弦桿采用角鋼，上弦桿尺寸一般有L125*80*12、L125*125*12等，下弦桿尺寸一般有L100*63*6、L100*100*10等；立柱、橫梁、斜梁采用槽鋼，尺寸有U63、U80、U100等幾種。

自動扶梯的組裝大致分為兩種方法。（1）放樣法：利用較大的工裝平臺，將扶梯桁架的左單側或右單側按圖紙要求放樣在工裝平臺上，將上弦桿、下弦桿、立柱、斜梁及其它配件擺在工裝上，通過焊接形成，然后將左右單側組合形成自動扶梯桁架。（2）組合法：先將上段、下段、中間段分開加工，然后將上段、中間段、下段拼接在一起。

蒂森克虜伯扶梯多采用第二種方法，原因是生產效率高，可將技術難度分解在不同的崗位上，且可任意角度拼接，對不同型號的桁架都可以生產。

2 自動扶梯桁架變形的種類及原因

焊接變形是鋼構件在未受荷載前，由于施焊電弧高溫引起的變形。焊接變形主要包括收縮變形、角變形、彎曲變形、波浪變形、扭曲變形［2］。針對自動扶梯桁架，主要的變形和變形原因如下。

2.1 焊接收縮變形

焊接后，桁架底板和下弦桿的焊縫收縮，是桁架主要的收縮變形，因為桁架底板和下弦桿的焊縫長度較長，最短2m，最長15m，焊縫的縱向收縮，導致桁架長度縮短。上下段抗扭支架分段焊縫的縱向收縮也導致上下段長度縮短；斜梁、立柱和弦桿角焊縫的橫向收縮，也導致桁架上下段、中間段長度縮短。

當桁架的上段、下段、中段分別焊接完成后，進入拼接工序，接頭處焊縫的間隙過大，焊接收縮變形也加大，將對自動扶梯桁架的總體長度尺寸產生一定量的收縮。

2.2 角變形

從自動扶梯桁架結構圖來看，大部分焊縫以T型接頭形成，所以大部分為角焊縫，焊接后導致桁架產生角變形，給自動扶梯裝配帶來難度。

▲圖1 自動扶梯桁架側面視圖

▲圖2 自動扶梯桁架正面視圖

2.3 彎曲變型［3］

桁架上下段、中間段的下弦桿和底板自動焊焊縫的縱向收縮，導致桁架的上拱彎曲變形。桁架焊縫的結構大多數都集中于一側，導致桁架單側的彎曲變形。由于桁架采用角鋼結構，并且是開放式的結構，剛性差，所以抵抗彎曲變形的能力較差。

2.4 波浪變形

桁架底板四個面都有較長的焊縫，最短的長度約1m，最大的長度約20m，產生較大的焊接變形（縱向、橫向收縮），底板厚度只有3mm，剛性差，使桁架底板產生一定的波浪變形。嚴重時，影響自動扶梯的外裝飾面及顧客的可視度。

2.5 扭曲變形

桁架在拼接時，必須保證裝配所需要的長度、角度、水平、中線對稱等尺寸。因此，桁架的上段與中間段、下段與中間段在拼接時存在強行裝配，焊接后由于應力釋放，導致桁架出現扭曲變形。

桁架各部件的殘余變形，給裝配帶來困難，進而影響后續的焊接質量。對于過大的焊接殘余變形還要進行矯正，無形中增加了制造成本。因此，在實際生產中，必須設法將焊接變形控制在技術要求所允許的范圍之內。

3 自動扶梯桁架焊接變形控制措施

3.1 設計措施

選擇合理的焊縫形狀和尺寸，主要做到以下兩點。

（1）根據型材厚度，選擇工藝上允許的最小焊縫尺寸［4］。焊縫尺寸是影響桁架焊接變形量的關鍵因素，焊縫尺寸大，不僅焊接工作量大，焊接變形也大。因此，在保證桁架結構有足夠承載能力的前提下，應采用最小的焊縫尺寸，尤其是角焊縫尺寸。同時焊縫尺寸也不能太小，焊縫尺寸越小，冷卻速度越快，容易產生裂紋、焊縫局部區域硬度過高等焊接缺陷；在實踐中，應根據經驗，針對型材厚度，選取工藝上允許的最小焊縫尺寸。

（2）盡量采用雙面焊縫的設計。如果相鄰焊縫過近或過于集中，容易產生焊接應力和局部剛性。因此焊縫要數量合理，布置均勻，盡可能將焊縫對稱于中心軸線分布，采用雙面焊縫設計，使焊縫引起的撓曲變形相互抵消。

3.2 工藝措施

（1）選擇合適的焊接工藝參數。首先預設幾組工藝參數，用每組工藝參數分別焊接，然后從焊縫的外觀、強度、缺陷等方面進行質量評定，再根據評定結論確定焊接參數值，形成規范的焊接參數工藝文件，如電源的種類、焊絲的直徑、焊接電流、電壓、焊接速度等焊接參數要嚴格執行焊接工藝規程。工藝參數的選擇根據桁架所用型材材質、厚度來確定，隨著材料厚度的增加，焊接電流也應增大。焊接速度要適中，材料越厚，焊接電流越大，焊接速度要稍慢。在條件具備的情況下，逐步提高焊接的自動化水平，采用焊接機器人等自動焊接方法，提高焊接效率，減少焊接變形。

（2）針對中間段焊縫長度很長，選擇合理的焊接順序。焊接順序對焊接變形的影響較為顯著，焊接順序合理，焊接變形可以通過自由收縮互相抵消；焊接順序不合理，焊接變形將相互疊加。一般情況下，改變焊接順序可以改變殘余應力的分布及應力狀態，減少焊接變形［5］。焊接時，先把桁架置于焊接平臺上，用專用夾具固定好，對連續的長焊縫進行點焊點固，然后進行加焊，加焊時注意如下事項，以便將焊縫引起的變形相互抵消。

①如圖3所示，采用分散跳焊，每段長度最長不超過3m。

②中間段下弦桿和底板自動焊的焊縫應在立柱位置截止，原因是中間段在靠近上下段空檔位置處沒有支撐，剛性差，焊接會導致弦桿焊接后彎曲。

③自動焊時兩臺焊機設定同樣的焊接參數，如電流、電壓、送絲速度、行走速度等，并向同一個方向焊接。

④為減小結構上剛性較差導致的焊接變形，在沒有橫梁的位置增加工藝用斜梁，連接上下弦桿，以增加剛性。

（3）利用工裝夾具的剛性固定法，焊接完成冷卻后，再取出焊胎。剛性固定組裝法是采用夾具或剛性胎具將被焊構件盡可能地固定，可有效地控制待焊構件的角變形與彎曲變形等。通過設計桁架定位和固定夾具，可將桁架固定以限制焊接變形，裝夾力越大，變形越小，在保證桁架承載能力前提下，選取合理的裝夾力，可最大限度地減少焊接變形。

（4）反變形法，留余量，可有效地減少焊接變形。事先根據經驗或估算出桁架焊接變形的大小和方向，在焊接裝配時施加一個相反的變形來抵消焊接變形。

▲圖3 焊接順序

4 自動扶梯桁架成型后的矯正

由于焊接過程的特點和桁架焊接工藝的復雜性，決定了焊接變形是不可避免的，所以必須對焊接后桁架產生的變形進行矯正。常用的焊接變形矯正方法有3種，包括手工矯正法、機械矯正法和火焰加熱矯正法［6］。利用火焰對焊件進行局部加熱時產生的塑性變形，使較長的金屬在冷卻后收縮，以達到矯正變形的目的稱為火焰加熱矯正法，蒂森克虜伯扶梯多采用火焰加熱矯正方法。

4．1 火焰加熱矯正方法

火焰矯正具體有3種方法：線狀加熱法、點狀加熱法、三角形加熱法。決定火焰矯正效果的因素主要是火焰加熱的位置和火焰的能量［7］。表1是桁架材料為低碳鋼時對應的火焰加熱矯正的加熱溫度。

表1 火焰加熱矯正加熱溫度

4．2 火焰加熱矯正的工藝順序

1）用精度為0．3mm的水平儀找正桁架上段、下段、中間段的水平，把各段的水平度調整到誤差范圍之內。

2）根據自動扶梯安裝圖紙確定桁架的中線位置（掛中線），做好尺寸標記，如圖4所示。

▲圖4 桁架掛中線

3）檢測桁架左右單側對中線偏差，并火焰矯正。

利用中線錐及鋼卷尺對桁架底部（下弦桿）進行分中測量。如果對稱尺寸有偏差，就需要進行一次火焰矯正。如此反復矯正，直到偏差控制在允許的誤差范圍之內。

（1）如果桁架底部右單側對中線尺寸偏大。

①加熱用火焰采用氧乙炔焰，火焰性質為中性焰，對桁架右單側的下弦桿外部進行加熱；

②采用點狀加熱法，點的直徑30～50mm，溫度為600～700℃，采取自然冷卻方式；

③根據經驗，一般情況下加熱一個點，桁架下弦桿中線會往里偏1mm；

④選擇新的加熱點繼續找正右單側的偏差，每兩個加熱點的距離應該保持在200mm以上，直到偏差符合要求為止。

（2）如果桁架左側上弦桿相對于中線尺寸偏小。

①對桁架立柱橫梁以上100mm以內的內側進行加熱；

②加熱面積為 20～30mm2， 加熱溫度為 500～600℃，自然冷卻。

利用熱脹冷縮的原理，使加熱區的鋼材產生塑性變形，以達到尺寸裝配要求。加熱一個立柱可減小中線誤差1～2mm，以此類推。

如果右側上弦桿相對于中線尺寸偏小，就對立柱橫梁以上外側加熱，加熱面積、溫度與上述方法相同。

（3）如果桁架整體上拱（彎曲變形），直線度不符合要求。

①對桁架左右上弦桿的中部上拱的位置進行線狀加熱；

②加熱寬度為15mm，加熱溫度為600～700℃，采取自然冷卻方式。

采用如上方法，可使桁架中間段上拱位置縮小20 mm。

4）按照上述矯正工藝依次矯正桁架各部分，直到桁架底部中線的左右尺寸與上部中線的左右尺寸滿足要求，直線度控制在一定范圍時，矯正結束。

5 結束語

通過對自動扶梯桁架焊接變形的原因進行分析，闡述影響焊接變形的主要因素，從設計和工藝角度采取合理的控制措施，并對不可避免產生的焊接變形采用火焰加熱矯正方法，對自動扶梯桁架的生產效率、質量、產量的提升奠定了一個良好的基礎。

［1］ 賀德明，肖偉平．電梯結構與原理［M］．廣州：中山大學出版社，2009．

［2］ 鄧洪軍．焊接結構生產［M］．北京：機械工業出版社，2011．

［3］ 吳戰國，李洪雷，王升超．自動扶梯桁架焊接變形分析與控制糾正［J］．中國工程機械學報，2011，9（3）：337-341．

［4］ 付朝學．大跨度扶梯桁架焊接變形分析及控制［J］．裝備制造，2010（4）：155．

［5］ 王瑞．焊接變形的影響因素與控制［J］．科技致富向導，2010（33）．

［6］ 徐峰．焊接工藝簡明手冊［M］．上海：上海科學技術出版社，2009．

［7］ 白琴．鋼結構變形的火焰矯正溫度［J］．焊接，2005，49（7）：44-45．