淺析起重機械結構焊接變形的因素及控制

王健

（江蘇省特種設備安全監督檢驗研究院江陰分院，江蘇 江陰 214431）

淺析起重機械結構焊接變形的因素及控制

王健

（江蘇省特種設備安全監督檢驗研究院江陰分院，江蘇 江陰 214431）

起重機械是現代工業生產不可缺少的設備，而橋架型起重機械目前使用最為廣泛的起重機械之一，其焊接變形也是起重機制造中的一個難題。本文主要分析和研究了起重機械結構焊接變形的因素及控制，進而能找到焊接變形的有效控制方法。

起重機械；焊接變形；控制矯正

起重機械是現代工業生產不可缺少的設備，被廣泛地應用于各種重工業領域。起重機械制造的安全性被作為重要指標所體現。起重機械的機構零件、金屬結構、聯接件和附件大都由件數材料加工而成。

目前，國內起重機械的金屬結構材料主要是鋼材，常用的材料是普通碳素鋼Q235，有時需減輕其設備本身的自重，也可采用16Mn或15MnTi。起重機械主要結構不外乎橋架類、門架類、臂架類和塔架類。橋架類的主要受力構件為主梁，而門架類的主要受力構件為主梁和支腿。而橋架類和門架類起重機械的金屬結構聯接方式主要為焊接和螺紋聯接，尤其是起重機械的主要受力構件目前采用焊接方式加工為主。換言之，起重機械結構焊接變形控制，也就是鋼結構焊接變形的控制。本文主要以橋架型起重機械為主。

1　起重機械焊接變形的主要作用因素

1.1材料因素的影響

材料對焊接變形的影響除焊接材料之外，和母材也有很大的關系，材料的力學性能參數和熱物理性質參數對焊接變形過程有非常重要的影響。起重機械雖然常用材料為普通碳素鋼Q235，但對于其工作級別和使用環境的不同，其所用Q235也有所不同。

1.2結構因素的影響

焊接結構的焊接變形設計，是最關鍵的影響因素，也是最復雜的因素之一。結構焊接變形的過程中，由于工件本身的限度是不斷變化的，因此會受到自身為變拘束結構和外加拘束結構的影響。起重機械的焊接變形主要影響因素是其結構，橋架類和門架類中的主要受力構件——主梁，就目前來講，主要是為箱形梁結構。箱形主梁主要由蓋板、腹板和筋板組成的Π形梁。

1.3工藝因素的影響

焊接變形是受焊接技術影響的，其在許多方面，如焊接預處理、焊接方法、焊接電壓、輸入電流、焊接順序的定位或固定方法，焊接夾具及固定裝置的應用等各方面。

起重機械的鋼材一定要進行必要的預處理。鋼材表面通常有一層氧化皮，它是鋼材在軋制過程中高溫高壓下與空氣接觸產生的氧化物，呈灰黑色，覆蓋于鋼材表面，在進行除銹噴丸等預處理的同時，還要進行防銹處理。目前起重機械箱形梁的主要焊接方法是工人手工焊接，也有一部分大型企業采用機器人焊接。

現在主梁起重機械制造專業企業在我國整體裝配焊接主要采用以下方法：

1.3.1在船形位置的埋弧自動焊

該方法使用普遍,有良好的焊縫。所謂船形位置,它使用45°的提升將箱形梁的位置放到一個船形，然后使用自動埋弧焊焊接。采用了特殊的箱形梁焊接機跟蹤和工作臺，焊接箱形梁的支持可以調整升降架的高度。

1.3.2用固定氣體用以保護焊機焊接

通常采用平角焊方法焊件上的梁是由運行小車運行。運行通過一個小型汽車與焊件完成焊接，焊接機轉換成固定。富氬混合氣體保護焊焊接角焊縫成形好、飛濺小、高效，焊接方法是最好的，效率也最高。

1.3.3氣體保護焊自動焊接小車焊接

主梁平面、腹板在一個水平位置，目標氣體保護焊車焊縫。可采用必要的混合氣體保護焊或二氧化碳氣體保護焊，焊縫質量好，生產效率好，使用簡單，不需要其他輔助設備。常用的有H-8型自動焊接小車。

此外，主梁的焊接次序也是值得探討的。一般對拱度偏小的要盡可能的先焊接下蓋板與腹板的焊縫；拱度偏大的應先焊接上蓋板與腹板的焊縫。

2　起重機械焊接變形的控制

2.1設計措施

2.1.1焊接尺寸和形式有必要進行合理的選擇

焊接工作量和焊接變形的大小直接取決于焊接尺寸。因此，保證結構承載力的情況下，在設計時應該使用盡可能小的焊縫尺寸。對于受力較大的丁字接頭和交叉，開坡口焊縫要比一般角焊縫減少焊縫金屬，前提是在保證相同的強度條件下，這對減小變形有利。橋架型起重機械主要受力構件為箱形主梁，而主梁主要有蓋板、腹板拼接而成。蓋板、腹板拼接時必須要先拼接寬度，然后再拼接長度。板件接寬時，焊接縱向焊縫后出現角變形，可以用平板矯正機平直。

選擇合適的焊接方向也非常重要。在直線型板件的拼長對接時，翻個清根焊接第二面的方向要和焊第一面的方向相反。有拱度的板件如主梁的腹板，也應該采用上述的焊接方法，才能做到不改變預定的腹板下料拱度曲線。

2.1.2對沒必要的焊縫，要盡可能的減少

在焊接結構的設計，合理選擇加筋板的形狀，妥善安排加筋板的位置，力求焊縫數量少，避免不必要的焊接，以減少焊接變形。梁起重機械的主要壓力組件覆蓋板和腹板拼接通常采用不同長度的鋼材、長鋼板應布置在短鋼板的兩端對稱排列。所以要能盡量減少連接器，最好使用軋制鋼板，同時，應該使用開卷矯直機矯直時使用。

2.1.3焊縫位置應該做到合理安排

在設計焊接結構時，為了減少梁、柱等類型結構的撓曲變形，要盡可能對稱于截面中性軸，或者使焊縫接近中性軸，這能達到良好的效果。起重機械主梁機構中的蓋板和腹板之間的拼接也需要合理地安排焊縫位置。為保證主梁的承載能力，從設計上要考慮到安全系數，從工藝上要考慮到蓋板與腹板的接頭不要設計在同一截面上，盡可能的錯開距離不得小于200 mm。

2.2工藝措施

工藝措施是焊接結構制造過程采取的一系列措施，它可以分為焊前預防措施，焊接過程中的控制措施。

對焊前的必要預防措施如下。

焊前預防主要包括預應力和剛性固定組裝法。

預應力法是基于預測焊接變形的方向及其大小的，待焊工件的裝配和焊接殘余變形時造成相反的方向從尺寸、預變形(變形)，抵消了預焊后變形焊接殘余變形，恢復工件的大小和形狀的設計要求。剛性固定裝配的方法主要是采用夾具或者剛性夾具將盡可能固定焊接組件，這樣可以有效地控制焊接角變形和彎曲變形的組件，等等。

起重機械主梁腹板的下料就是采用預應力法的一種典型代表。起重機械要求主梁成拱，而主梁成拱最常用的方法是腹板下料成拱法。此外預應力法中的預應力鋼筋張拉法和預應力鋼絲繩張拉法也可以預防和矯正起重機械橋架的焊接變形。

3　起重機械焊接變形的矯正

在組件焊接之后，只能通過糾正措施來減少或者消除殘余變形的發生。焊后矯正措施主要分為加熱、預應力和機械校正法校正方法。加熱矯正其主要是分為整體和局部加熱。

整體熱矯正可以用來消除較大的形狀偏差，其主要是指將整體構件加熱至鍛造溫度以上再進行矯正的方法，不過焊后整體加熱有其不可避免的限制因素，那就是極易引起冶金方面的副作用。

局部熱矯正采用的方法是其直火焰局部加熱，焊接結構在高溫下，材料的熱膨脹受到組件本身是剛性的，產生局部壓縮變形，冷卻后收縮，抵消部分焊接變形后的伸長，達到校正，使用通用焊槍火焰加熱法，所以不需要特殊設備，方法簡單、靈活，越來越廣泛應用于生產。

此外，還有靜力加壓矯直法、焊縫滾壓法、錘擊法等，這些大都是利用機械力或者沖擊能等進行焊接變形矯正。

4　結論

橋架型起重機械目前使用最為廣泛的起重機械之一，其焊接變形也是起重機制造中的一個難題。綜合上述分析，我們可以看出普通橋架型起重機械的焊接變形，和通常鋼結構焊接變形及其類似。那么，針對鋼結構焊接變形的各種因素，再結合橋架型起重機械的自身特點，通過選擇合理的焊接順序和工藝參數，來有效地控制橋架型起重機械的焊接變形，減少焊接變形所帶來的各種危害。

[1] 徐超.隅撐支撐鋼框架結構抗震性能分析[D].內蒙古工業大學，2013.

R197.39

C

1671-0711（2016）09（上）-0052-02