淺析水利工程船閘人字門的焊接變形控制

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摘要：論文結(jié)合工程實例，論述了水利工程船閘人字門的安裝焊接收縮變形控制，以供參考。

關(guān)鍵詞:人字門；焊接工藝；變形控制 1概述 某水利工程在船閘上下閘首布置人字閘門，每套門由兩扇門組成，每扇門由6～9節(jié)門葉現(xiàn)場拼裝、焊接而成。節(jié)間通過現(xiàn)場焊接連接，板材主要厚度為：ξ12－ξ50等9種規(guī)格。門葉制作所用板材材質(zhì)有：DH32，DH36，Q345B，Q345D 4種。單節(jié)門葉最重：78．811t。幾何尺寸：長×寬×高為20.2 m×2.98 m×3.20 m，單扇門總重達450．51 t，幾何尺寸：長×寬×高為20.2 m×2.98 m x24.9 m。 人字門拼焊最終應(yīng)達到的技術(shù)要求：a.從全開到全關(guān)過程中旋轉(zhuǎn)門葉時斜接柱上任意一點的跳動量≤15 mm：b.底橫梁在斜接柱一端的下垂度≤4.0mm；c.門軸柱側(cè)面直線度≤4.0mm，斜接柱直線度≤5.0 mm，門軸柱斜接柱側(cè)面直線度≤5.0 mm；c.門葉橫向直線度≤4.0m，門葉豎向直線度≤6.0mm。 2焊接結(jié)構(gòu)特點分析 焊接是整個人字門安裝中工作量最大，耗時最多，工藝最為繁雜的一道關(guān)鍵工序。由于人字門尺寸和重量都非常大，必須分節(jié)運抵安裝現(xiàn)場進行直立組焊。每扇人字門門葉節(jié)間有6條安裝焊縫，每條焊縫總長約34 m，焊接工作量大、強度高，而且門體結(jié)構(gòu)復(fù)雜、材料等級高，焊接接頭型式多樣，技術(shù)控制工藝要求嚴(yán)格。門體現(xiàn)場拼焊質(zhì)量的好壞，不僅關(guān)系到是否能保證門體垂直，而且關(guān)系到內(nèi)在質(zhì)量的好壞，關(guān)系到人字門門體是否能承受巨大水壓力并將壓力可靠向支持體傳遞；其次門葉在厚度方向的不對稱，必然引起門葉焊接收縮的不均勻，使門體產(chǎn)生焊接變形。因此，必須制定焊接變形控制措施并嚴(yán)格執(zhí)行；再則由于工地焊縫不具備整體消應(yīng)的條件，但仍要求對邊柱推力隔板與主梁腹板組合焊縫、端板對接焊縫、縱向加肋板與主梁下翼板對接焊縫等板厚超過36 mm的部位進行局部消除應(yīng)力熱處理，熱處理必然也會對門體結(jié)構(gòu)的變形及應(yīng)力分布產(chǎn)生影響。因此，熱處理工藝的制定和落實至關(guān)重要。 3焊接工藝評定與要求 3.1焊接工藝評定 根據(jù)設(shè)計和規(guī)程規(guī)范要求，針對人字門的材質(zhì)、板厚、接頭型式等制定如下焊接工藝評定方案。 3.2焊接方法及工藝要求 根據(jù)安裝現(xiàn)場實際，焊接方法采用焊條電弧焊，主要設(shè)備為逆變焊機，工藝要求如下： 3.2.1要焊透； 3.2.2清根方式：采用碳棒氣刨； 3.2.3焊縫表面平凹凸≤2.5 mm； 3.2.4焊高／焊腳高：8 m～12 mm； 3.2.5焊縫類別：I，Ⅱ，Ⅲ； 3.2.6探傷方式、比例：磁粉、超聲； 3.2.7層間清理：氣鏟及毛刷； 3.2.8層間消應(yīng)：氣鏟； 3.2.9加熱方式：履帶式加熱板、溫控柜。 4焊接參數(shù)及焊接工位安排 4.1焊接參數(shù)結(jié)合 焊接工藝評定與焊接工藝要求，在人字門焊接中各參數(shù)應(yīng)進行嚴(yán)格把關(guān)。 4.2焊接順序及工位安排 4.3焊接順序及工位安排 人字門兩端柱正、側(cè)向垂直度是焊接變形控制的重點，但從減小焊接應(yīng)力考慮，應(yīng)先焊橫向收縮較大的焊接接頭，此時門體自由度較大，不致于引起較大的焊接應(yīng)力。因此，在焊接變形、焊接應(yīng)力這對矛盾統(tǒng)一體中要綜合考慮。結(jié)合焊接工藝評定方案和現(xiàn)場實際情況，具體應(yīng)遵循如下原則： 4.3.1焊接由兩端到中間、由內(nèi)到外的順序。由于門體結(jié)構(gòu)的特點及安裝精度要求，先焊兩端柱，后焊門體中間部位，因門體中部上游焊縫多于下游面，先焊下游面待門體達到一定的剛度后，再焊上游面焊縫。 4.3.2對稱焊接的同時，對影響門體變形的焊接順序、焊工工位安排盡可能少，并盡可能焊擋板或先焊小的立焊。 4.3.3加強每個焊接流程的監(jiān)控，根據(jù)監(jiān)控結(jié)果適時調(diào)整焊接順序，加強工序間的傳遞。根據(jù)上述原則，制定了焊接流程及8名焊接工位的布置：端板推力隔板推力隔板加勁板及端隔板-中間豎隔板-后翼緣立焊-后翼緣-前翼緣立焊→面板帖角焊-面板對接焊及前翼緣焊。 5焊接變形分析與控制 5.1縱向收縮變形 工件在熱源作用下產(chǎn)生沿焊縫長度方向的縱向膨脹，此膨脹受外部拘束而被限制即產(chǎn)生縱向壓縮塑性變形，在冷卻過程中該塑性不能完全回復(fù)而產(chǎn)生縱向收縮變形。在實際施工中，由于縱向長焊縫主要是面板對接縫和貼角縫；下游面為空格結(jié)構(gòu)，縱向焊縫較少，因此縱向收縮變形可不考慮。 5.2橫向收縮變形及角變形工件 在熱源作用下產(chǎn)生垂直于焊縫方向的橫向膨脹，此膨脹受外部拘束而被限制即產(chǎn)生橫向壓縮塑性變形，在冷卻過程中該塑性不能完全回復(fù)而產(chǎn)生橫向收縮變形。低合金鋼對接、角焊縫每米引起的橫向收縮量△B為：對接焊△B=1.2×10.5qv／δ；角焊縫衄=1.2×10.5qv／δ；其中δ為厚板。通過計算沿高度方向每條焊縫平均收縮2.0mm，因人字門板厚及結(jié)構(gòu)的變化，在實際施工中焊縫收縮量為1.8～2.3 mm。由于焊縫橫向收縮力大小及力到門體慣性中心距的不同，產(chǎn)生的力偶大小也不同。這勢必使門體向上游方向傾斜。通過理論公式初步計算出每米傾斜大小△A及方向：每米向上游傾斜0.3～0.6 mm間。對于角變形的控制：為考慮到門體厚度、剛度大，加之通過合理的安排焊接順序，因此沒有預(yù)留焊接反變形。對出現(xiàn)稍向上游傾斜時，可在下一節(jié)門拼裝中將面板不進行定位焊，只用“馬尖”壓緊，使上游面處于較自由的狀態(tài)。這樣焊接后翼緣時可使門體每米可向下游傾斜1.5 mm左右，相當(dāng)于預(yù)留了焊接反變形。 5.3焊接監(jiān)控焊接時監(jiān)測門體的傾斜方向及大小，就要選好基準(zhǔn)點。并始終以這一基準(zhǔn)點為測量依據(jù)。根據(jù)門體制作時由3個單元(兩柱及中間部位)組成，在施工中通過懸掛3條重錘的方法進行測量：兩端柱中心各掛一重錘，面板半寬方向掛重錘。每一個焊接流程結(jié)果，待焊縫冷卻后進行測量，并與拼裝及上一流程的測量結(jié)果作比較，若變形較大則適時調(diào)整工序。但焊縫未冷卻或加熱時，測量的結(jié)果往往與實際相反，不能以此測量數(shù)據(jù)作依據(jù)，誤導(dǎo)后續(xù)焊接順序及工位安排。 5.4焊接殘余應(yīng)力及熱處理低合金鋼冷裂敏感性較大，拘束強度也較大，致使焊后應(yīng)力較大。特別是板厚δ≥32mm主要是端板，推力隔板和端柱后翼板，要求在焊前預(yù)熱、焊層加熱、焊后熱處理工藝措施。熱處理采用的設(shè)備為溫控柜帶遠紅外履帶加熱板進行加熱，使用熱電偶測溫儀及紅外線測溫槍測控溫度。消應(yīng)為局部處理，而且熱處理必然對門葉焊接變形控制產(chǎn)生影響，同時溫度附加應(yīng)力與原焊接殘余應(yīng)力疊加也會使整體應(yīng)力分布變得復(fù)雜。考慮到各種因素的影響，熱處理采用以下兩種方案： 5.4.1將熱處理分兩步進行，在端板對接縫及推力隔板與主梁腹板組合焊縫焊接完成后先進行消應(yīng)，然后再焊接剩余焊縫，最后進行其它需消應(yīng)焊縫的熱處理。這種方案的優(yōu)點是可以有效避免消應(yīng)過程中附加溫度應(yīng)力的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)移，缺點是施工環(huán)節(jié)多，對焊接變形影響較大。 5.4.2在門體全部焊接完成后按熱處理曲線進行熱處理，這種方案的優(yōu)點是施工安排較為簡單，對焊接變形影響較小，缺點是由于局部消應(yīng)時門葉處于拘束狀態(tài)，消應(yīng)效果不好，對不需消應(yīng)的焊縫也會產(chǎn)生附加的溫度應(yīng)力。門體除端板，推力隔板和端柱后翼板等部位外均采用這種消應(yīng)方法。 6效果分析 人字閘門經(jīng)上述工藝安裝焊接后，人字門的各項指標(biāo)達到設(shè)計規(guī)范要求，符合各項技術(shù)指標(biāo)。