鋼閘門制作過程焊接變形的預防和控制措施研究

婁曉路

（貴州中水建設管理股份有限公司，貴州 貴陽 550002）

在水利工程建設過程中，鋼閘門是水工建筑物的重要構件。從結構上來看，鋼閘門主要由面板、主次梁、水封、支承及起吊連接等裝置組成。鋼閘門在設計和制備過程中，需要嚴格按照規范進行，否則會對水利工程的工程質量產生影響，進而影響電站的安全運行。然而，當前因某些原因，往往會導致鋼閘門在制備過程中容易出現焊接變形的情形，使得閘門不能符合要求，影響使用安全和使用效果。為了保證水利工程的施工質量，提升鋼閘門的使用效果，水利工程人員需要對焊接過程中影響變形的原因進行詳細分析，并對影響因素進行針對性控制，從而保證焊接質量。

1 鋼閘門制作過程中存在的問題

結合某鋼閘門的實例對其制作過程中存在的問題進行分析。通過對制作完成的鋼閘門進行外觀檢測，發現：鋼閘門整體面板能夠保持平整，但在某些局部區域范圍內，存在較大的變形，不能滿足設計要求。一般情況下，鋼閘門的尺寸要求規定：面板的厚度低于10mm，其尺寸變形需控制在6mm范圍以內，因此面板的厚度范圍為10mm～16mm。通過鋼閘門的外觀檢測，其面板局部的變形尺寸達到8mm，超出規定的尺寸要求。這樣不僅會影響外觀的美觀性，更重要的是影響止水性能，影響使用安全。目前，針對此種不平整的情況，一般通過噴火進行整平，不僅極大延長制作周期，也會較大影響承載能力。

2 焊接方法概述

焊接方法的不同，對最終焊接質量有直接的影響。

2.1 焊條電弧焊

電弧焊接方式利用焊條和焊接為電極，利用電極陰陽兩級之間產生的電弧熱進行焊接，在焊接過程中，電弧熱能夠有效地融化焊接金屬和母體，隨著熱源的移動，母體的不同位置進行融化、冷卻形成焊縫。電弧焊接具有操作簡單，投資少等優勢，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的約束，適用性強。

2.2 氬弧焊

氬弧焊接是一種使用惰性氣體為保護氣體的電弧焊接方式。其主要的優勢為保護效果好、熱影響區域相對較窄，在耐熱鋼、不銹鋼和有色金屬焊接方面具有優勢。因氬氣是一種良好的惰性氣體，不與金屬發生作用，因此在焊接過程中對于金屬的保護效果較好，焊接質量高。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。

在焊接過程中，需要對焊接過程中的輸入熱量進行著重控制，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。對焊接接頭進行焊接后的熱處理工作。

3 鋼閘門焊接變形原因分析

3.1 焊接變形

焊接實際上是一個金屬加熱融化、再冷卻的過程，焊接過程中引發鋼閘門變形的主要表現是表面不平整，局部的變形超出設計規定范圍。在鋼閘門實際的焊接過程中，由于局部的受熱影響，鋼閘門會在溫度場的條件下產生膨脹和冷卻效應，然而局部受熱區域的約束力較為復雜，工件很難進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生壓縮變形，變形的部位又不能自由的收縮導致出現拉伸應力，在內部不均勻作用力的影響下，工件會出現外觀的尺寸變形情況，產生焊接形變。焊接變形和殘余應力的產生原因有：焊接過程中，因焊接高溫影響，產生塑形的變化；熔化金屬固化時，工件熱膨脹遇冷產生收縮塑形變化。

焊接過程中的焊接變形和殘余應力的影響因素較多，如材料本身的性能差別（膨脹系數、屈服應力）、工件的外觀形狀（一般工件越復雜，越容易出現焊接變形情況）、焊接工藝等，因此對鋼閘門進行質量控制的首要工作是要控制焊接過程中產生的變形量。一般情況下，焊接過程總會產生焊接變形，需要對其影響因素進行著重控制，保證變形量在規范范圍內即可。

3.2 焊接變形類型

鋼閘門在受熱情況下會產生熱膨脹和收縮變形情況，按照變形的類型不同，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。在上述變形類型中，角變形和彎曲變形是導致鋼閘門異常變形的主要原因。

（1）彎曲變形。彎曲變形的產生主要是由于焊接過程中焊縫的控制出現角度偏差，焊縫如果偏離鋼閘門的截面中性軸，無論變形是橫向收縮還是縱向收縮，均會導致彎曲變形的出現。

（2）角變形。角變形產生的直接原因是工件的橫向收縮在厚度上出現應力不均勻的情況。一般在對接焊接和T型焊接中最為常見。對接焊接過程中，角變形的出現與坡口角度有關。因此，坡口應采用機械加工形式進行制備，對坡口進行焊接之前，需要清除其表面的熱切割硬化層，可以通過表面的硬度測試來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角，減小坡口的寬度。通過上述控制，可以充分保證焊接在較短的時間內完成，從而能夠實現等溫焊接工藝過程，保證焊接的質量。T型焊接過程中，焊角高度越大，越容易出現角變形，因此需要對焊角高度進行合理控制。

4 鋼閘門焊接變形的有效控制措施

4.1 設計措施

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

（2）盡量控制減少焊接接縫的數量，從而保證焊接變形的較少發生。

（3）焊縫的位置盡量保證其在截面的中性軸位置上，確保不會出現變形出現。

4.2 施工工藝措施

（1）反變形法：在對工件進行焊接過程中，人為施加一個反方向的變形，使得兩個變形在焊接完成后能夠自動抵消，從而達到焊接表明尺寸控制的目的。實際反變形施加的大小需要結合實際的施工情況試驗而定。

（2）焊接方法：為了更好地實現焊接過程中的熱量控制，可以選擇熱源相對集中的焊接方法（二氧化碳保護焊），按照合理的焊接工藝順序進行焊接有助于控制焊接過程中的殘余應力，一般需要遵循先對接，后角接。

4.3 焊材的合理管理與選擇

為保證焊接的質量，需要對焊材進行品質控制，首先對來樣進行嚴格的質量檢測，篩選出不滿足要求的焊材。另外，焊材的存儲環境需要進行控制，一般需要保證環境中的溫度在5℃以上，環境濕度不超過60%，否則需要進行除濕。倉管需要每天定時檢測環境的溫度和濕度。焊條使用前，需要按照使用說明進行烘干處理，烘干時升溫速度一般控制在每小時150℃以下，避免升溫速度過快對藥皮產生開裂影響。

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度，焊接金屬需與母體的材質具有相同含量的鉻和鉬含量。而過高的鉻含量會在焊接過程中形成復雜的碳化物，對焊接質量產生影響。因此，可以選用鈮、釩等元素對鉻鉬鋼滲合金，這些合金產生的碳化物在短時間的焊接熱周期內來不及溶解到固熔體中，提高金屬的韌性和抗裂性能。

另外，可以對坡口位置進行均勻加熱，保證其熱變形一致，達到變形的控制。在進行坡口預熱時，一般采用熱電偶加熱方式，當熱電偶溫度達到規定要求后，需要保持幾分鐘，保證坡口位置能夠充分加熱。采用紅外探測坡口表面溫度，當其達到規定溫度值后，方可停止預熱。

當加熱器在焊接接縫兩側進行預熱時，加熱的寬度控制如下：自待焊接焊縫邊沿始計算，每側的加熱寬度不應低于厚度的4倍。用繩形加熱器進行預熱操作時，坡口兩側布置的加熱器線圈的纏繞數盡量保持一致，兩側加熱速度保持均一。

5 結語

不同的焊接方法會對焊接質量產生不同的影響，針對鋼閘門焊接的特點，采用二氧化碳保護焊接更具有優勢。通過對焊接變形的原因和主要類型進行分析，可以明確影響變形的主要因素，在此基礎上選擇合理的焊接方式、焊接前的預處理手段可以有效控制焊接產生的變形量。