浅谈水工钢闸门门叶焊接变形的预防和控制

周 兵

（中国水利水电夹江水工机械有限公司，成都 610000）

在社会经济高速发展的进程中，水利水电工程建设具有重要作用。它不仅可以为社会生产生活提供宝贵的电力能源，还起到了防洪排涝等生态保护作用。在水利水电工程建设中，钢闸门的制造与安装是重要的一环。钢闸门是应用范围最广泛的水工金属结构，其地位与作用不可或缺。在水工钢闸门焊接作业中往往会出现变形问题，因此施工过程中需要施工人员采取积极措施预防和控制焊接变形问题，确保水工钢闸门的质量安全。

1 水工钢闸门门叶焊接变形的原因

水工钢闸门门叶的焊接变形问题，不单纯是焊接工艺不科学或焊接操作不当引起的，还与单个构件制作质量、门叶拼装质量存在密切关系。如果单个构件制作质量不过关，可能会导致组装时间隙过大或过小，容易引起焊接变形问题。如果门叶拼装误差偏大，也会增加门叶焊接变形的可能性[1]。

第一，单个构件制作质量不过关。水工钢闸门由多个构件组成，每个构件的质量合格与否都会对钢闸门整体质量产生影响，也会对门叶焊接质量造成积极或不利影响[2]。实际工作中，可能因工艺不合理或操作不当导致单个构件尺寸偏差过大。组装时，构件之间间隙偏差超标或是构件坡口形状不合适，都会对门叶安装质量造成影响，从而引发门叶焊接变形问题。

第二，门叶拼装质量不过关。钢闸门门叶拼装环节较为复杂，很容易出现差错。如果施工人员未严格按照设计图纸和相关规范进行门叶拼装或是门叶拼装检查验收存在失误，都可能使门叶拼装存在较大误差，增加了门叶焊接变形的概率和程度[3]。

第三，门叶焊接质量不过关。门叶焊接变形最直接的原因在于焊接质量偏低。如果施工人员操作不规范，监管人员疏于职守，那么可能导致焊接工艺选用不当、焊接顺序不合理、焊接检测不规范等问题，使门叶整体焊接质量达不到要求[4]。

2 水工钢闸门门叶焊接变形的预防措施

2.1 科学制定工艺方案

为了保证水工钢闸门制作质量，应以减少焊接变形为准则，分析闸门门叶和其他部件设计图纸，结合钢闸门制作成熟工艺编制流程图，制定涵盖下料、刨边、构件焊接、门叶拼装等环节的工艺方案[5]。要将单个构件和整体拼装的焊接作业作为关键工序，依据现有生产条件和相关标准规范科学设计各个工序，确保工艺方案科学、合理、可行。

焊接变形的控制方法主要有振动焊接法、预应力法以及退火法等。在制定工艺方案时，应综合考虑各种焊接变形控制方法的适用性，在钢闸门制作过程中采用预防和控制门叶焊接变形的技术措施。其中：振动焊接法以振动时效理论为基础，可以对门叶焊接的横向收缩变形等起到良好的改善作用；预应力法通过施加外力或加热方式，降低门叶焊接的变形程度；退火法采用专门的夹具固定构件，在焊接完成后放入退火炉加热保温，在温度逐渐降低过程中消除残余应力，具有良好的控制焊接变形的能力。

以国家标准、行业标准为依据，遵守法定规定原则，完善水工钢闸门焊接通用工艺，做好焊接施工图纸管理，保障焊接控制管理体系得以有效完善。制定明确的焊接质量控制制度，要求相关人员按照制度要求焊接，为焊接质量控制提供实际的制度保障，提升焊接质量管控水平。

2.2 单个构件制作质量控制措施

为保障水工钢闸门焊接质量，焊接材料与设备的选择尤为关键，对工程建设起到了至关重要的作用。因此，应做好焊接材料与设备的管理工作，确保焊接材料质量、性能等满足焊接作业要求，且设备性能稳定。水工钢闸门制作需要采购质量上佳的各种原材料，确保材质报告单与实物对应，型材等材料尺寸满足单个构件下料要求。在单个构件制作过程中，应根据门叶加工、组装、焊接等作业特点，考虑单个构件之间装配关系以及装配对焊接变形的影响，合理确定单个构件的工艺尺寸。此外，在下料时预留一定的加工余量和收缩余量，保证适当的装配间隙[6]。因此，应考虑不同材料特性和焊缝强度要求来确定预留量。比如，一二类焊缝以外的焊缝可以预留千分之一的收缩量，而对于一二类焊缝应结合具体部位要求区别对待，适当增加预留收缩量。

明确焊接顺序控制要点。先构件，后部件，再整体，是水工钢闸门制作的主要顺序。通常，组对焊接顺序是先工字梁，后梁系及面板，再止水座板等附件。在进行焊接时，按照焊接顺序明确质量控制要点。工字梁的组对焊接要点在于腹板与翼缘板两侧的直通角焊缝，秉承“焊接一段、暂停一会”的原则，一般由梁长度的中间至两端分段。焊接时保证电弧指向准确一致同样关键，以构件长度方向为参考，保持工字梁的焊缝角度变形与其一致[7]。梁系及面板的组对焊接要点在于整个闸门结构的对称轴线对称作业，先完成纵梁腹板、翼缘板和横梁腹板、翼缘板的对接，再对称实施横梁与边梁的对接组焊，最后是工字梁和面板组合时对称轴线对称施焊。止水座板等附件的组装焊接要点在于按规范对称焊接，按图纸要求校对、修整门叶后，完成加工组装。

钢闸门门叶焊接变形与焊缝数量、长度存在直接关系。焊缝数量越少，长度越小，焊接过程中的热作用就越小，产生的焊接变形也越小。各构件按照制定好的工艺料单进行切割下料，保证梁腹板等构件下料尺寸完整。通过整块下料来减少对接焊缝数量，以达到降低焊接变形的目的[7]。在构件边及坡口加工时，应根据焊接工艺特点调整焊缝。比如，将单边坡口改为对称双面坡口，通过校正和修边来改变焊缝形状，减少焊缝面积，使焊缝两侧母材更加平均，从而降低焊接作业时产生的弯曲和扭曲变形。在单个构件拼装和焊接时，需要严格控制装配尺寸，保证主次梁等部件焊缝错开一定距离，并采用分层分道和分段跳焊等方式控制能量输入，减少单个构件产生的焊接变形。焊接后，根据几何尺寸和焊缝情况采用机械或火焰调校方式，保证构件制作尺寸和质量，从而为预防门叶焊接变形创造良好条件。

2.3 门叶整体拼装质量控制措施

门叶拼装阶段需要采取措施控制装配间隙，减少后续焊接作业产生的变形量。由于门叶拼装后多数焊缝位于面板一侧，门叶焊接后存在整体向面板一侧凹进趋势。因此，可以综合考虑闸门尺寸、主梁刚度、焊缝大小等情况，在门叶拼装前将主梁、边梁向面板一侧预留一定的拱度，使焊接变形与预留拱度相互抵消，起到控制焊接变形的作用[8]。

门叶拼装可以采用整扇门叶或单节门叶拼装方案。整扇门叶拼装对场地要求高、焊接周期长，但整体性好，易保证门叶拼装形位尺寸；单节门叶拼装对场地要求低、焊接周期短，但难以控制形位尺寸，相邻节间易出现焊接变形产生的尺寸偏差。因此，在条件允许的前提下，建议选用整扇门叶拼装方案，在刚性平台上完成门叶整体拼装，调平面板并与平台刚性固定，使用经纬仪放样基准线，合理控制主梁、隔板等间距尺寸，确保拼装间隙满足焊接变形需要。

在焊接作业前，认真测量和检查门叶外形尺寸、长度、距离等尺寸和预留余量数据，合理控制装配间隙等情况，确保门叶整体拼装质量，为门叶焊接变形的有效控制做好铺垫。门叶拼装中间隙不能过大也不能过小，过大会增加敷熔金属量使变形变大，过小可能无法熔透影响焊接质量。

3 水工钢闸门门叶焊接变形的控制措施

水工钢闸门门叶焊接变形发生前，需要采取必要的质量控制措施，将焊接变形等控制在合理范围内。在发生焊接变形后，应及时采取合理、有效的控制措施，矫正焊接变形等情况，以保证门叶焊接质量。

3.1 门叶焊接质量控制措施

由于焊接变形十分复杂，焊接工艺要结合焊接变形的具体情况随时进行调整。在焊接工艺的调整过程中，要考虑焊接工艺与实际情况的适配性，综合考虑拼装尺寸、收缩余量、坡口形式等情况，合理确定焊接方法、焊接材料、焊接顺序和焊工数量等工艺方案，确保焊接工艺的合理性与可靠性。

闸门门叶焊接方法的选用，要考虑焊缝形状、母材材质等因素，可采用手工电弧焊、二氧化碳气体保护焊和埋弧自动焊等方式施焊。焊接作业中的热量输入越大，变形也越大。通常，自动焊比手工焊加热集中，产生的焊接变形较小，焊接变形与焊接电流、电压正相关，而与焊接速度负相关。因此，一般采用低电压、大电流、高速的自动焊方式来控制门叶焊接变形[9]。

合理选择焊接顺序可以降低焊接引起的变形程度，通常以门叶中心线为界，从中心向外侧分段逆向施焊，先焊接隔板与梁系角焊缝、平角缝，再焊接主梁与边梁组合焊缝。同时，在门叶焊接前可以制作刚性夹具或采用临时加焊、点焊固定等方式，增加门叶部件结构刚性，提高构件抵抗焊接变形的能力。施焊后，待全部冷却后再拆除刚性夹具和临时支撑。

3.2 门叶焊接变形的矫正措施

在门叶焊接作业过程中，应观察和及时了解焊接变形情况，并确定引起焊接变形的因素。在焊接作业过程中，环境温度、焊接速度以及电流变化等都可能引起焊接变形。在观察发现存在焊接变形后，可以及时调整焊接工艺，避免产生较大程度的焊接变形，以降低后期矫正调形成本。

为保证水工钢闸门制作过程中的焊接质量，焊接后内部积聚的残余应力处理尤为关键。为避免造成闸门变形，在水工钢闸门制造过程中，除了上述几点焊接质量控制措施外，做好焊接残余应力消除工作同样关键。据此分析现场焊接施工要求，按照规范进行焊接作业，有效处理焊接残余应力，加强焊接质量管控，实际意义重大。在组装门叶前，尝试组焊单元件并予以校正，有助于降低整体焊接应力，减小焊接变形的效果同样显著。焊接作业后，可采用局部退火的方式，处理因门叶上局部焊接应力集中造成应力过大的问题，加热局部部位，直至达到退火温度要求，暂冷后即可有效降低残余应力的峰值，从而消除部分应力。比如，在闸门工字梁焊接处可使用三角形加热矫正法，通过加热工字梁变形部位来改善变形情况，见图1。

对门叶焊接变形进行测量和检测，在检测出焊缝存在质量缺陷后，应采取措施进行返修处理。对于焊接变形，应结合实际情况采取必要的矫正调形措施。比如：对于上弯变形，可以采用加热方式矫正拱起部位；对于扭曲变形，可以在适当加热后，借助外力进行矫正。矫正措施多种多样，重在以消除变形为目标，结合实际变形情况进行灵活调整，保证矫正措施的实效性。考虑到采用退火法等消除焊接产生的应力，耗时较长，可以采用振动时效处理技术消除残留应力。自然时效可有效降低焊接应力，继而减小焊接变形。为保持自然时效，一般要求将组焊及矫正后的门叶垫平，同时置于常温条件下使其保持适当时间，以便满足相关要求。在调形前增设门叶应力消除工序，切断变形趋势，降低焊接变形程度。

4 结语

综上所述，在水工钢闸门门叶焊接之前，应认真做好焊接变形的预防工作，保证单个构件制作质量与钢闸门门叶拼装质量，避免因其他因素干扰导致焊接变形问题的发生。在门叶焊接过程中，应积极采取焊接作业质量控制和焊接变形矫正两方面的焊接变形控制措施。前者在于规范管控门叶焊接作业过程，确保焊接作业质量达标的同时，尽量减少门叶焊接变形；后者在于检测门叶焊接变形，根据门叶焊接变形情况采取相应的矫正措施，尽可能减少或消除焊接变形问题。