浅析水利工程船闸人字门的焊接变形控制

摘要：论文结合工程实例，论述了水利工程船闸人字门的安装焊接收缩变形控制，以供参考。
关键词:人字门；焊接工艺；变形控制
1概述
某水利工程在船闸上下闸首布置人字闸门，每套门由两扇门组成，每扇门由6～9节门叶现场拼装、焊接而成。节间通过现场焊接连接，板材主要厚度为：ξ12－ξ50等9种规格。门叶制作所用板材材质有：DH32，DH36，Q345B，Q345D 4种。单节门叶最重：78．811t。几何尺寸：长×宽×高为20.2 m×2.98 m×3.20 m，单扇门总重达450．51 t，几何尺寸：长×宽×高为20.2 m×2.98 m x24.9 m。
人字门拼焊最终应达到的技术要求：a.从全开到全关过程中旋转门叶时斜接柱上任意一点的跳动量≤15 mm：b.底横梁在斜接柱一端的下垂度≤4.0mm；c.门轴柱侧面直线度≤4.0mm，斜接柱直线度≤5.0 mm，门轴柱斜接柱侧面直线度≤5.0 mm；c.门叶横向直线度≤4.0m，门叶竖向直线度≤6.0mm。
2焊接结构特点分析
焊接是整个人字门安装中工作量最大，耗时最多，工艺最为繁杂的一道关键工序。由于人字门尺寸和重量都非常大，必须分节运抵安装现场进行直立组焊。每扇人字门门叶节间有6条安装焊缝，每条焊缝总长约34 m，焊接工作量大、强度高，而且门体结构复杂、材料等级高，焊接接头型式多样，技术控制工艺要求严格。门体现场拼焊质量的好坏，不仅关系到是否能保证门体垂直，而且关系到内在质量的好坏，关系到人字门门体是否能承受巨大水压力并将压力可靠向支持体传递；其次门叶在厚度方向的不对称，必然引起门叶焊接收缩的不均匀，使门体产生焊接变形。因此，必须制定焊接变形控制措施并严格执行；再则由于工地焊缝不具备整体消应的条件，但仍要求对边柱推力隔板与主梁腹板组合焊缝、端板对接焊缝、纵向加肋板与主梁下翼板对接焊缝等板厚超过36 mm的部位进行局部消除应力热处理，热处理必然也会对门体结构的变形及应力分布产生影响。因此，热处理工艺的制定和落实至关重要。
3焊接工艺评定与要求
3.1焊接工艺评定
根据设计和规程规范要求，针对人字门的材质、板厚、接头型式等制定如下焊接工艺评定方案。
3.2焊接方法及工艺要求
根据安装现场实际，焊接方法采用焊条电弧焊，主要设备为逆变焊机，工艺要求如下：
3.2.1要焊透；
3.2.2清根方式：采用碳棒气刨；
3.2.3焊缝表面平凹凸≤2.5 mm；
3.2.4焊高／焊脚高：8 m～12 mm；
3.2.5焊缝类别：I，Ⅱ，Ⅲ；
3.2.6探伤方式、比例：磁粉、超声；
3.2.7层间清理：气铲及毛刷；
3.2.8层间消应：气铲；
3.2.9加热方式：履带式加热板、温控柜。
4焊接参数及焊接工位安排
4.1焊接参数结合
焊接工艺评定与焊接工艺要求，在人字门焊接中各参数应进行严格把关。
4.2焊接顺序及工位安排
4.3焊接顺序及工位安排
人字门两端柱正、侧向垂直度是焊接变形控制的重点，但从减小焊接应力考虑，应先焊横向收缩较大的焊接接头，此时门体自由度较大，不致于引起较大的焊接应力。因此，在焊接变形、焊接应力这对矛盾统一体中要综合考虑。结合焊接工艺评定方案和现场实际情况，具体应遵循如下原则：
4.3.1焊接由两端到中间、由内到外的顺序。由于门体结构的特点及安装精度要求，先焊两端柱，后焊门体中间部位，因门体中部上游焊缝多于下游面，先焊下游面待门体达到一定的刚度后，再焊上游面焊缝。
4.3.2对称焊接的同时，对影响门体变形的焊接顺序、焊工工位安排尽可能少，并尽可能焊挡板或先焊小的立焊。
4.3.3加强每个焊接流程的监控，根据监控结果适时调整焊接顺序，加强工序间的传递。根据上述原则，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劲板及端隔板-中间竖隔板-后翼缘立焊-后翼缘-前翼缘立焊→面板帖角焊-面板对接焊及前翼缘焊。
5焊接变形分析与控制
5.1纵向收缩变形
工件在热源作用下产生沿焊缝长度方向的纵向膨胀，此膨胀受外部拘束而被限制即产生纵向压缩塑性变形，在冷却过程中该塑性不能完全回复而产生纵向收缩变形。在实际施工中，由于纵向长焊缝主要是面板对接缝和贴角缝；下游面为空格结构，纵向焊缝较少，因此纵向收缩变形可不考虑。
5.2横向收缩变形及角变形工件
在热源作用下产生垂直于焊缝方向的横向膨胀，此膨胀受外部拘束而被限制即产生横向压缩塑性变形，在冷却过程中该塑性不能完全回复而产生横向收缩变形。低合金钢对接、角焊缝每米引起的横向收缩量△B为：对接焊△B=1.2×10.5qv／δ；角焊缝衄=1.2×10.5qv／δ；其中δ为厚板。通过计算沿高度方向每条焊缝平均收缩2.0mm，因人字门板厚及结构的变化，在实际施工中焊缝收缩量为1.8～2.3 mm。由于焊缝横向收缩力大小及力到门体惯性中心距的不同，产生的力偶大小也不同。这势必使门体向上游方向倾斜。通过理论公式初步计算出每米倾斜大小△A及方向：每米向上游倾斜0.3～0.6 mm间。对于角变形的控制：为考虑到门体厚度、刚度大，加之通过合理的安排焊接顺序，因此没有预留焊接反变形。对出现稍向上游倾斜时，可在下一节门拼装中将面板不进行定位焊，只用“马尖”压紧，使上游面处于较自由的状态。这样焊接后翼缘时可使门体每米可向下游倾斜1.5 mm左右，相当于预留了焊接反变形。
5.3焊接监控焊接时监测门体的倾斜方向及大小，就要选好基准点。并始终以这一基准点为测量依据。根据门体制作时由3个单元(两柱及中间部位)组成，在施工中通过悬挂3条重锤的方法进行测量：两端柱中心各挂一重锤，面板半宽方向挂重锤。每一个焊接流程结果，待焊缝冷却后进行测量，并与拼装及上一流程的测量结果作比较，若变形较大则适时调整工序。但焊缝未冷却或加热时，测量的结果往往与实际相反，不能以此测量数据作依据，误导后续焊接顺序及工位安排。
5.4焊接残余应力及热处理低合金钢冷裂敏感性较大，拘束强度也较大，致使焊后应力较大。特别是板厚δ≥32mm主要是端板，推力隔板和端柱后翼板，要求在焊前预热、焊层加热、焊后热处理工艺措施。热处理采用的设备为温控柜带远红外履带加热板进行加热，使用热电偶测温仪及红外线测温枪测控温度。消应为局部处理，而且热处理必然对门叶焊接变形控制产生影响，同时温度附加应力与原焊接残余应力叠加也会使整体应力分布变得复杂。考虑到各种因素的影响，热处理采用以下两种方案：
5.4.1将热处理分两步进行，在端板对接缝及推力隔板与主梁腹板组合焊缝焊接完成后先进行消应，然后再焊接剩余焊缝，最后进行其它需消应焊缝的热处理。这种方案的优点是可以有效避免消应过程中附加温度应力的产生和转移，缺点是施工环节多，对焊接变形影响较大。
5.4.2在门体全部焊接完成后按热处理曲线进行热处理，这种方案的优点是施工安排较为简单，对焊接变形影响较小，缺点是由于局部消应时门叶处于拘束状态，消应效果不好，对不需消应的焊缝也会产生附加的温度应力。门体除端板，推力隔板和端柱后翼板等部位外均采用这种消应方法。
6效果分析
人字闸门经上述工艺安装焊接后，人字门的各项指标达到设计规范要求，符合各项技术指标。