起重機塔身標準節焊接變形控制及預防方法

羅宇德

（廣西建工集團建筑機械制造有限責任公司，廣西 南寧 530029）

塔式起重機（以下簡稱塔機）具有足夠的起升高度、較大的工作效幅度和工作空間，在現代工程建設中被越來越廣泛地使用。塔機的主要結構件標準節需求量大，已經實現了專業化生產，大量應用了專用的生產設備和工藝工裝，不僅提高了其生產效率，而且有效地保證了塔機標準的精度要求。該文將對塔機片狀標準節焊接變形的影響因素、控制措施和方法進行闡述。

1 片狀標準節的結構

塔機標準節按照結構形式可分為整體式標準節和片式標準節，其中，片式標準節由四榀獨立的型鋼架組成，四榀型鋼架通過鉸制孔螺栓連接在一起組成一節標準節；片式標準節的結構如圖1所示，結構非對稱，由厚度不同的型鋼和板材焊接而成，件1、3、4、5為鋼板，其厚度與件6角鋼的翼板厚度相當，而件2為角鋼，其厚度要比上述零件要薄一些。

圖1 片狀標準節

2 片狀標準節焊接變形分析

2.1 焊接變形產生的原因

片式標準節在施焊時，因為受焊接熱量迅速輸入而造成工件局部膨脹，所以在標準節內部產生焊接內應力與局部變形；焊縫熔融金屬冷卻時由液態轉為固態，此時會產生新的晶核和體積收縮。由于焊縫金屬與母材是熔融結合的，焊縫及臨近焊縫區溫度已遠超700℃，因此只需要很小的力就會讓焊縫周邊鋼材產生塑性變形，同時在焊縫中引起殘余內應力。焊接變形的根本原因是標準節在焊接過程中不均勻加熱和冷卻形成不同的溫度而造成的。

2.2 片狀標準節焊接變形的分類

焊接變形主要有板平面內的變形（橫向收縮、縱向收縮、回轉變形）和板平面外的變形（橫向彎曲變形-角變形、縱向彎曲變形、彎曲產生的波浪變形、扭曲變形）。在圖1中，件1、5與件6施焊時會產生焊縫的縱向（沿焊縫方向）和橫向（垂直焊縫方向）的收縮變形，以及焊接過程中尚未進行焊接部分的坡口加寬或者變窄而引起的回轉變形。件2與件1、3、4、5施焊時，由于V型坡口對接焊焊縫布置不對稱，造成焊縫上下橫向收縮量不均勻，因此存在因對接焊焊縫布置不對稱而造成橫向彎曲變形（角變形），以及在堆焊或者角焊時焊縫偏離工件的中心線而造成縱向彎曲變形；還因存在焊接過程中焊接順序和焊接方向不合理而導致工件扭曲，又稱為螺旋形變形撓曲變形；且件2的厚度比件1、3、4、5薄，焊后構件易形成波浪變形。

3 焊接應力與變形的形成機理

焊接應力與變形的主要決定因素是焊接時局部不均勻熱輸入，熱輸入是通過金屬材料因素、焊接接頭的形狀及拘束和制造因素而影響熱源周圍的金屬運動，最終形成了焊接應力與變形。因此，影響焊接應力與變形因素主要分為金屬材料因素、焊接接頭的形狀和尺寸、焊接工藝參數三個方面。

3.1 金屬材料因素的影響

金屬材料的焊接性能對焊接變形有很大影響，金屬的化學成分不同，其焊接性也不同。一般塔機的標準節用料基本為低合金高強度結構鋼Q355，綜合性能好，低溫性能好，冷沖壓性能，焊接性能和可切削性能好。

3.2 焊接接頭的形狀和尺寸的影響

標準節焊接接頭的形狀和尺寸的設計對焊接變形的影響最關鍵，也最直接。焊接接頭的形狀和尺寸必須考慮結構特點、材料特性，其中金屬材料具有良好的焊接性；還應易于實現機械化和自動化焊接。標準節在使用中主要關注H的寬度以及3、4連接板與7魚尾連接板的空間形位公差，在設計標準節結構時，應合理地安排連接板和腹桿的焊縫數量和大小，因為在同一條件下，焊縫越小，板件的臨界失穩壓應力越小，所以要盡量以構件截面的中性軸為對稱軸，焊縫不宜過長、過多、過于集中。在件1、5連接板與件6主角鋼的對接焊縫設計中，應采用板件厚度高、焊縫長度短的原則。因此，塔機標準節在設計焊接接頭形狀和尺寸時應針對連接板的厚度、主弦桿及腹桿或帶孔連接板的位置和數量等進行優化，以使焊接應力與變形產生的量降到最低。

3.3 焊接工藝參數的影響

焊接工藝參數的影響主要分為對焊接方法、焊接接頭形式、焊接層數的影響。

在標準節結構焊接中常用的焊接方法為CO氣體保護焊，在實際生產中CO氣體保護焊施焊部位的可見度好，操作方便；CO氣體價格低，焊接成本低于其他焊接方法；可采用較大的焊接電流，使焊絲熔化速度快，焊接時無焊渣，生產效率高；CO氣體保護焊電弧加熱集中，焊件受熱面積小，加上氣流的冷卻作用，可減少焊接應力和變形。

實際生產中CO氣體保護焊焊絲型號為ER50-6，焊絲直徑為1.2mm，焊絲應符合GB/T8110-2020《氣體保護電弧焊用碳鋼、低合金鋼焊絲》要求，為得到較好的焊接效果，生產人員要嚴格執行焊接規程及相應的焊接工藝參數。焊接前準備，CO氣體應不低于HG/T 2537優等品的要求，Ar氣應符合GB/T 10624的要求，Ar+CO的配比為80∶20。使用瓶裝CO氣體時應設置氣體預熱裝置。由于瓶裝液態CO可溶解水，多余的水成自由狀態匯于瓶底，水分會隨一起揮發，以水蒸氣混入焊接氣體中，影響氣體純度，而且瓶壓超低，水蒸氣含量越高，當瓶內壓力低于980kPa時應停止使用；氣體用鋼瓶使用前應做倒置放水處理，即將鋼瓶倒立靜置 1h～2h 后，再開啟閥門，把沉積在瓶口的自由狀態水排出；在供氣管道中應設置高壓干燥器和低壓干燥器，以進一步減少CO氣體中的水分。塔機的主要結構件標準節需求量大，已經實現了專業化生產，大量應用了專用的生產設備和工藝裝備，使其生產效率高。由于件6主弦桿焊接填充量大，在實際生產中先作為一個獨立的工件進行生產，件6的拼焊及焊接都由專用的拼焊工裝及焊接工作站完成，件6主弦桿完成制作后再與標準節其他零部件拼焊成片式結構，拼焊和焊接都是在專用的拼焊工裝上完成。采用焊接機械手與伺服變位機的配合，可以完成標準節所有焊縫的覆蓋。采用焊接機械手代替手工操作是目前焊接生產中比較常見的現象，這樣可以穩定和提高焊接質量，且很好地保證標準節一致性，提高生產效率，一天可以24小時連續生產；有效改善了工人的勞動條件，降低對工作操作技術的要求。當采用CO氣體保護焊時，除根部和蓋面層外，坡口焊縫每層厚度不應超過5mm。當標準節魚尾板的焊層寬度超過16mm時，全部多道焊縫均應采用錯層焊工藝。

焊接接頭中，表面堆焊變形相對較小；“T”形角接接頭和搭接接頭時，其焊縫橫向收縮情況與堆焊相似；對接接頭在單道（層）焊的情況下，其焊縫橫向收縮比堆焊和角焊大，在單面焊時坡口角度大，板厚上、下收縮量差別大，因此角變形較大；雙面焊時情況有所不同，隨著坡口角度和間隙的變小，橫向收縮減少，同時角變形也變小；焊縫中焊接層數的影響，焊接層數越多，橫向變形和縱向變形量越小。

焊接工藝參數對焊接變形的影響也是很直接的，對不同的標準節焊接位置采取不同的焊接參數，能最大程度地保證焊接質量及減少焊接變形；如電壓過高時，電弧穩定性差、飛濺大、焊絲爆斷、電壓過低以及熔深淺等問題，因此在焊接過程中，要選擇合適的工藝參數。如焊接電流，當其他參數保持恒定時，焊接電流與送絲速度呈非線性變化；當送絲速度增加時，焊接電流也隨之增大。在焊絲直徑為1.2mm 時，隨著焊接電流的增大，熔化速度以更高的速度增加，此時變為非線性；選擇合適的焊接電流可以獲得穩定的脈沖噴射過渡，從而有利于焊接效果。根據經驗，焊絲直徑小于或等于1.2mm 時，氣體流量一般為15L/min～20L/min；焊絲直徑大于1.2mm時，氣體流量應取15L/min～25L/min。根據國家標準GB/T985-2008《氣焊、焊條電弧焊及氣體保護焊焊縫坡口的基本形式與尺寸》規定，為了達到完全熔透的目的，塔機標準節件1、5與件6焊接形式參照圖2坡口形式進行。

圖2 件1、5與件6水平對接焊形式

隨著雙絲焊接、激光復合焊和摩擦焊接工藝的成熟，相信這些焊接工藝以后可以應用到塔機生產中，使焊接變形更好地得到控制。特別是激光-MAG復合焊接的成熟應用，可以很好地解決板件的對接和角接焊接變形問題，可以在小坡口（或者是可以完成不開坡口）、熔深大、焊縫成型好、焊接缺陷少的功能特點上很好實現單面焊接，雙面成形，在保證焊接質量要求的前提下省去工件翻轉時間，降低焊接作業時間；還可以實現雙槍雙側主焊縫同時對稱焊接的工藝方案，不僅能提高焊接效率，還可以大幅度減少焊接變形。而且將焊接接頭設計成“I”形對接接頭，不開坡口，減少焊材消耗，省去開坡口工序，提高作業效率；該工藝很好地響應了國家綠色制造及節能減排高質量發展號召。

4 片狀標準節焊接變形預防與控制

片狀標準節焊接變形控制與預防采用以下工藝技術：焊前預防措施、焊接過程中的控制措施和焊后矯正。

4.1 焊前預防措施

焊前預防措施主要包括反變形法、預拉伸法、剛性固定法。

圖1中件1、5連接板與件6主弦桿焊接時，可采用反變形法控制變形。為了抵消或減少這種焊接變形，根據預測的焊接變形大小和方向，在待焊工件組焊時造成與焊接殘余變形大小相當、方向相反的預變形量（圖3），焊接冷卻后，焊接殘余變形抵消了預變形量，使構件恢復設計要求的幾何型面和尺寸。根據經驗值預設準確，結合反變形方法，設計制作片式標準節拼焊工裝。

圖3 在不同工件上采用反變形措施

預拉伸法多用于薄板平面，片式標準節在焊接前，用機械方法（拼焊模）剛性固定，與反變形法道理相似，在設計制作標準節片式焊接模具時，根據實踐經驗把圖1中件3、4件的定位尺寸H進行預拉伸，根據圖紙加大一定尺寸，焊接完成后，去除預拉伸量標準節就回復到預想狀態。

焊前預熱也是一種常見的預防焊接變形方法，由于操作不便與加熱成本高在標準節焊接生產中不常用，且反變形和預拉伸法基本已經達到效果。

剛性固定法是采用夾具和剛性工裝模具將標準節各部件加以固定來限制焊接變形。雖然剛性固定可以減少焊接變形，但是會產生較大的焊接應力，其效果遠不如反變形法。

4.2 焊中控制

焊接過程中控制焊接變形可以通過合理的焊接方向和合理的焊接順序來實現。選擇合理的施焊順序也是控制焊接變形的有效手段，對片式標準節構件，適當地拆分成幾個零件，最后再拼焊成整體，如件標準節中件1和件6先進行施焊，使焊縫能自由地收縮，避免引起標準節整體結構的變形；對截面形狀、焊縫布置均勻對稱的焊件，應采用對稱焊接施工，但是標準節不對稱焊縫，因此應先施焊焊縫少的一側再焊接焊縫多的一側，使后焊一側的變形足以抵消先焊一側的變形，以減少標準節整體變形。圖1中件1、5連接板與件6主弦桿焊接時，可采用此焊接順序來控制變形；焊接中可以采用逆向分段退焊法，如圖4所示，同一條或同一直線的若干條焊縫，采用自中間向兩側分段退焊的方法可以有效地控制殘余變形。

圖4 分段退焊法

4.3 焊后矯正

標準節焊后變形量超過技術要求的幾何型面和尺寸應進行矯正，目前生產中常應用到的變形矯正方法可歸納為機械矯正法和加熱矯正法。標準節的焊后矯正一般不采用加熱矯正法，常用的為機械矯正法，使用液壓壓力機對標準節變形區域進行機械頂壓，造成一個新的變形去抵消已經發生的變形，使標準節結構產生與焊接變形方向相反的塑性變形，兩者互相抵消，達到矯正效果。

在標準節焊接生產過程中，剛性固定法防止彎曲變形的效果遠不如反變形法和預拉伸法，設計合理的標準節結構和制定最優的焊接工藝參數、施焊措施以及應用一定的變形矯正方法，就可有效對焊接應力和變形進行控制，將變形量控制到最小，有效保證標準節的產品質量。隨著雙絲焊接、激光復合焊接和摩擦焊接技術的成熟，將有可能改變現有的焊接工藝，對焊接變形的控制及預防更加高效。

5 結語

提高塔機標準節幾何型面和尺寸精度不但能提高塔機的穩定性，而且還能顯著提高塔機的安全性能、安裝效率。因此，找到標準節焊接變形的原因，通過以上措施和工裝模具方案后能夠達到設定的目標，使用合理的焊接工藝參數和措施能有效解決片式標準節生產過程中焊接變形的難題，可在生產中進行推廣應用。