自动扶梯桁架焊接变形控制与火焰矫正措施

□ 张 书 □ 杜相锋 □ 夏龙军

1．中山职业技术学院 电子信息工程系 广东中山 528404

2．蒂森克虏伯扶梯（中国）有限公司 广东中山 528437

自动扶梯是一种大型的特种设备，其桁架部分则是自动扶梯的基础构件，起着连接建筑物两个不同高度地面、承载各种载荷及安装支撑所有零部件的作用，是关系自动扶梯整体寿命及安全运行的关键所在［1］。自动扶梯的桁架一般多采用型材，以焊接的形式来完成，如槽钢、角钢等。型材在焊接过程中需要经过一系列的加热、冷却，必然会产生变形，影响装配精度，降低桁架整体结构承载力。本文分析产生自动扶梯桁架焊接变形的原因，提出控制措施，同时对不可避免而产生的焊接变形采取火焰矫正方法，以保证自动扶梯制造、安装对桁架质量的要求。

1 自动扶梯桁架结构

自动扶梯的桁架是由型材连接而组成的一个箱形、敞开型的结构，其侧面视图如图1所示，表示桁架的一段，虽然桁架的各段尺寸不同，但结构形式和基本尺寸相同，自动扶梯桁架正面视图如图2所示。上弦杆和下弦杆由立柱连接，桁架左单侧和右单侧由中间横梁和底部横梁连接，下部封有较薄的防漏油底板，同侧的每两根立柱之间连接一根斜梁，拐角处有加强板，起到增大强度的作用。上、下弦杆采用角钢，上弦杆尺寸一般有L125*80*12、L125*125*12等，下弦杆尺寸一般有L100*63*6、L100*100*10等；立柱、横梁、斜梁采用槽钢，尺寸有U63、U80、U100等几种。

自动扶梯的组装大致分为两种方法。（1）放样法：利用较大的工装平台，将扶梯桁架的左单侧或右单侧按图纸要求放样在工装平台上，将上弦杆、下弦杆、立柱、斜梁及其它配件摆在工装上，通过焊接形成，然后将左右单侧组合形成自动扶梯桁架。（2）组合法：先将上段、下段、中间段分开加工，然后将上段、中间段、下段拼接在一起。

蒂森克虏伯扶梯多采用第二种方法，原因是生产效率高，可将技术难度分解在不同的岗位上，且可任意角度拼接，对不同型号的桁架都可以生产。

2 自动扶梯桁架变形的种类及原因

焊接变形是钢构件在未受荷载前，由于施焊电弧高温引起的变形。焊接变形主要包括收缩变形、角变形、弯曲变形、波浪变形、扭曲变形［2］。针对自动扶梯桁架，主要的变形和变形原因如下。

2.1 焊接收缩变形

焊接后，桁架底板和下弦杆的焊缝收缩，是桁架主要的收缩变形，因为桁架底板和下弦杆的焊缝长度较长，最短2m，最长15m，焊缝的纵向收缩，导致桁架长度缩短。上下段抗扭支架分段焊缝的纵向收缩也导致上下段长度缩短；斜梁、立柱和弦杆角焊缝的横向收缩，也导致桁架上下段、中间段长度缩短。

当桁架的上段、下段、中段分别焊接完成后，进入拼接工序，接头处焊缝的间隙过大，焊接收缩变形也加大，将对自动扶梯桁架的总体长度尺寸产生一定量的收缩。

2.2 角变形

从自动扶梯桁架结构图来看，大部分焊缝以T型接头形成，所以大部分为角焊缝，焊接后导致桁架产生角变形，给自动扶梯装配带来难度。

▲图1 自动扶梯桁架侧面视图

▲图2 自动扶梯桁架正面视图

2.3 弯曲变型［3］

桁架上下段、中间段的下弦杆和底板自动焊焊缝的纵向收缩，导致桁架的上拱弯曲变形。桁架焊缝的结构大多数都集中于一侧，导致桁架单侧的弯曲变形。由于桁架采用角钢结构，并且是开放式的结构，刚性差，所以抵抗弯曲变形的能力较差。

2.4 波浪变形

桁架底板四个面都有较长的焊缝，最短的长度约1m，最大的长度约20m，产生较大的焊接变形（纵向、横向收缩），底板厚度只有3mm，刚性差，使桁架底板产生一定的波浪变形。严重时，影响自动扶梯的外装饰面及顾客的可视度。

2.5 扭曲变形

桁架在拼接时，必须保证装配所需要的长度、角度、水平、中线对称等尺寸。因此，桁架的上段与中间段、下段与中间段在拼接时存在强行装配，焊接后由于应力释放，导致桁架出现扭曲变形。

桁架各部件的残余变形，给装配带来困难，进而影响后续的焊接质量。对于过大的焊接残余变形还要进行矫正，无形中增加了制造成本。因此，在实际生产中，必须设法将焊接变形控制在技术要求所允许的范围之内。

3 自动扶梯桁架焊接变形控制措施

3.1 设计措施

选择合理的焊缝形状和尺寸，主要做到以下两点。

（1）根据型材厚度，选择工艺上允许的最小焊缝尺寸［4］。焊缝尺寸是影响桁架焊接变形量的关键因素，焊缝尺寸大，不仅焊接工作量大，焊接变形也大。因此，在保证桁架结构有足够承载能力的前提下，应采用最小的焊缝尺寸，尤其是角焊缝尺寸。同时焊缝尺寸也不能太小，焊缝尺寸越小，冷却速度越快，容易产生裂纹、焊缝局部区域硬度过高等焊接缺陷；在实践中，应根据经验，针对型材厚度，选取工艺上允许的最小焊缝尺寸。

（2）尽量采用双面焊缝的设计。如果相邻焊缝过近或过于集中，容易产生焊接应力和局部刚性。因此焊缝要数量合理，布置均匀，尽可能将焊缝对称于中心轴线分布，采用双面焊缝设计，使焊缝引起的挠曲变形相互抵消。

3.2 工艺措施

（1）选择合适的焊接工艺参数。首先预设几组工艺参数，用每组工艺参数分别焊接，然后从焊缝的外观、强度、缺陷等方面进行质量评定，再根据评定结论确定焊接参数值，形成规范的焊接参数工艺文件，如电源的种类、焊丝的直径、焊接电流、电压、焊接速度等焊接参数要严格执行焊接工艺规程。工艺参数的选择根据桁架所用型材材质、厚度来确定，随着材料厚度的增加，焊接电流也应增大。焊接速度要适中，材料越厚，焊接电流越大，焊接速度要稍慢。在条件具备的情况下，逐步提高焊接的自动化水平，采用焊接机器人等自动焊接方法，提高焊接效率，减少焊接变形。

（2）针对中间段焊缝长度很长，选择合理的焊接顺序。焊接顺序对焊接变形的影响较为显著，焊接顺序合理，焊接变形可以通过自由收缩互相抵消；焊接顺序不合理，焊接变形将相互叠加。一般情况下，改变焊接顺序可以改变残余应力的分布及应力状态，减少焊接变形［5］。焊接时，先把桁架置于焊接平台上，用专用夹具固定好，对连续的长焊缝进行点焊点固，然后进行加焊，加焊时注意如下事项，以便将焊缝引起的变形相互抵消。

①如图3所示，采用分散跳焊，每段长度最长不超过3m。

②中间段下弦杆和底板自动焊的焊缝应在立柱位置截止，原因是中间段在靠近上下段空档位置处没有支撑，刚性差，焊接会导致弦杆焊接后弯曲。

③自动焊时两台焊机设定同样的焊接参数，如电流、电压、送丝速度、行走速度等，并向同一个方向焊接。

④为减小结构上刚性较差导致的焊接变形，在没有横梁的位置增加工艺用斜梁，连接上下弦杆，以增加刚性。

（3）利用工装夹具的刚性固定法，焊接完成冷却后，再取出焊胎。刚性固定组装法是采用夹具或刚性胎具将被焊构件尽可能地固定，可有效地控制待焊构件的角变形与弯曲变形等。通过设计桁架定位和固定夹具，可将桁架固定以限制焊接变形，装夹力越大，变形越小，在保证桁架承载能力前提下，选取合理的装夹力，可最大限度地减少焊接变形。

（4）反变形法，留余量，可有效地减少焊接变形。事先根据经验或估算出桁架焊接变形的大小和方向，在焊接装配时施加一个相反的变形来抵消焊接变形。

▲图3 焊接顺序

4 自动扶梯桁架成型后的矫正

由于焊接过程的特点和桁架焊接工艺的复杂性，决定了焊接变形是不可避免的，所以必须对焊接后桁架产生的变形进行矫正。常用的焊接变形矫正方法有3种，包括手工矫正法、机械矫正法和火焰加热矫正法［6］。利用火焰对焊件进行局部加热时产生的塑性变形，使较长的金属在冷却后收缩，以达到矫正变形的目的称为火焰加热矫正法，蒂森克虏伯扶梯多采用火焰加热矫正方法。

4．1 火焰加热矫正方法

火焰矫正具体有3种方法：线状加热法、点状加热法、三角形加热法。决定火焰矫正效果的因素主要是火焰加热的位置和火焰的能量［7］。表1是桁架材料为低碳钢时对应的火焰加热矫正的加热温度。

表1 火焰加热矫正加热温度

4．2 火焰加热矫正的工艺顺序

1）用精度为0．3mm的水平仪找正桁架上段、下段、中间段的水平，把各段的水平度调整到误差范围之内。

2）根据自动扶梯安装图纸确定桁架的中线位置（挂中线），做好尺寸标记，如图4所示。

▲图4 桁架挂中线

3）检测桁架左右单侧对中线偏差，并火焰矫正。

利用中线锥及钢卷尺对桁架底部（下弦杆）进行分中测量。如果对称尺寸有偏差，就需要进行一次火焰矫正。如此反复矫正，直到偏差控制在允许的误差范围之内。

（1）如果桁架底部右单侧对中线尺寸偏大。

①加热用火焰采用氧乙炔焰，火焰性质为中性焰，对桁架右单侧的下弦杆外部进行加热；

②采用点状加热法，点的直径30～50mm，温度为600～700℃，采取自然冷却方式；

③根据经验，一般情况下加热一个点，桁架下弦杆中线会往里偏1mm；

④选择新的加热点继续找正右单侧的偏差，每两个加热点的距离应该保持在200mm以上，直到偏差符合要求为止。

（2）如果桁架左侧上弦杆相对于中线尺寸偏小。

①对桁架立柱横梁以上100mm以内的内侧进行加热；

②加热面积为 20～30mm2， 加热温度为 500～600℃，自然冷却。

利用热胀冷缩的原理，使加热区的钢材产生塑性变形，以达到尺寸装配要求。加热一个立柱可减小中线误差1～2mm，以此类推。

如果右侧上弦杆相对于中线尺寸偏小，就对立柱横梁以上外侧加热，加热面积、温度与上述方法相同。

（3）如果桁架整体上拱（弯曲变形），直线度不符合要求。

①对桁架左右上弦杆的中部上拱的位置进行线状加热；

②加热宽度为15mm，加热温度为600～700℃，采取自然冷却方式。

采用如上方法，可使桁架中间段上拱位置缩小20 mm。

4）按照上述矫正工艺依次矫正桁架各部分，直到桁架底部中线的左右尺寸与上部中线的左右尺寸满足要求，直线度控制在一定范围时，矫正结束。

5 结束语

通过对自动扶梯桁架焊接变形的原因进行分析，阐述影响焊接变形的主要因素，从设计和工艺角度采取合理的控制措施，并对不可避免产生的焊接变形采用火焰加热矫正方法，对自动扶梯桁架的生产效率、质量、产量的提升奠定了一个良好的基础。

［1］ 贺德明，肖伟平．电梯结构与原理［M］．广州：中山大学出版社，2009．

［2］ 邓洪军．焊接结构生产［M］．北京：机械工业出版社，2011．

［3］ 吴战国，李洪雷，王升超．自动扶梯桁架焊接变形分析与控制纠正［J］．中国工程机械学报，2011，9（3）：337-341．

［4］ 付朝学．大跨度扶梯桁架焊接变形分析及控制［J］．装备制造，2010（4）：155．

［5］ 王瑞．焊接变形的影响因素与控制［J］．科技致富向导，2010（33）．

［6］ 徐峰．焊接工艺简明手册［M］．上海：上海科学技术出版社，2009．

［7］ 白琴．钢结构变形的火焰矫正温度［J］．焊接，2005，49（7）：44-45．