鋼結構技術論文
中國建筑金屬結構協(xié)會
建筑鋼結構分會主辦
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摘 要：焊接箱體具有制造成本低、生產(chǎn)效率高的顯著特點，在裝備制造業(yè)中應用廣泛。對于傳動箱體來說，密封性、強度和剛度的要求非常高?，F(xiàn)場施工中影響焊接質量有很多因素，包括焊接方法、焊接材料、焊接參數(shù)及過程控制等。如何控制箱體變形，提高箱體建造質量，是擺在每一位生產(chǎn)管理人員面前的一個問題。結合鉆井船升降系統(tǒng)基礎—齒輪箱的建造過程，闡述反變形法、控制焊接工藝法、剛性固定法等典型方式在齒輪箱尺寸控制中的應用。
關鍵詞：尺寸控制；反變形；焊接工藝；剛性固定
1 箱型體介紹及精度要求
文中所述箱型體指的是200ft鉆井船升降系統(tǒng)基礎—齒輪箱。鉆井船升降系統(tǒng)共三套，首部一套，尾部左右舷各一套。每一套升降系統(tǒng)的結構部分均由3個結構基本相同的固樁單體組成。每一個單體固樁單體由上下兩部分組成，分界線位于甲板上914mm，上部結構為齒輪箱，主要用于安裝升降系統(tǒng)減速箱及動力裝置，并于頂部安裝齒條導向結構；下部為升降底座及下滑道，將與樁腿圍井結構焊裝在一起，從下向上依次安裝有齒條端面導板（內(nèi)底板高度區(qū)域）、下部垂向千斤頂基座（機械甲板高度區(qū)域，用于樁腿的鎖緊）、齒條側面導板和水平千斤頂基座（主甲板和機械甲板之間）和上部垂向千斤頂基座（位于主甲板高度區(qū)域）。齒輪箱結構形式為板殼結構，建造完成之后成為一個類似封閉的箱型體。焊接箱體以其制造成本低，生產(chǎn)效率高的顯著特點，已經(jīng)廣泛的應用到裝備制造業(yè)中；對其質量的要求也越來越高。
齒輪箱為鉆井船升降系統(tǒng)的關鍵結構，精度要求極高，前面板的平面度≤2mm，對角線距離≤±5mm，側板與面板垂直度≤1.5mm，結構總體厚度尺寸公差≤±1mm，長度尺寸公差≤±2mm。
2 變形因素分析及一般措施
2.1 焊接變形分析
焊接過程是一種不均勻的加熱和冷卻，是容易造成構件產(chǎn)生內(nèi)應力而引起變形的主要原因。焊接時，受熱金屬膨脹，周圍不受熱金屬不膨脹，相當于剛性固定。于是，受熱金屬的膨脹受到阻礙和抑制，產(chǎn)生了壓縮塑性變形。而焊完冷卻后，焊縫和焊縫附近的金屬，因收縮而變短，卻又受到周圍為受熱的金屬的限制，就使焊件產(chǎn)生了內(nèi)應力，以致產(chǎn)生變形[1]。
2.2 反變形法
反變形法就是在焊接前的組對過程中，先將焊件朝著與焊接變形相反的方向進行人為的變形，以達到焊接后與焊接變形相互抵消，實現(xiàn)尺寸控制的目的。
反變形在控制焊接變形中的運用是最廣泛的一種控制措施。尤其對于焊接變形的方向與變形量可以預測的組對，更是每一次現(xiàn)場運用的典范。
2.3 控制焊接工藝法
控制焊接工藝法就是通過焊接方法的優(yōu)化，使焊接剩余應力分散，避免出現(xiàn)焊接應力高峰，有效的控制焊接變形。依據(jù)不同焊接方法的特點，以合理的焊接程序控制焊接變形量。
對于直焊縫，常見的焊接方法有五種，即：分段退焊法、分中逐步退焊法、跳焊法、交替焊接法、分中對稱焊法【2】。
對于彎曲或環(huán)形焊縫，常見的焊接方法為同方向對稱施焊。
2.4 鋼性固定法
鋼性固定法就是在焊接前，采用一些額外的固定部件，增加焊件的剛性，減少焊接過程中焊件的自由度，達到減小焊接變形、控制焊后尺寸的目的。
3 施工過程中的尺寸控制
3.1 前面板平面度控制
升降系統(tǒng)基礎采用類似于組塊的反造法，先在胎架上鋪前面板，然后進行內(nèi)部結構的組對焊接，這樣的建造順序容易導致焊接的上表面單面受熱收縮，從而使前面板兩側向上翹起。為保證前面板平面度≤2mm，采用反變形措施。
圖1 胎架筋板布置（箱型體施工）
在預制胎架支撐筋板時，預留有一定的反變形量：使中間三排的支撐筋板相對外側的高出一個反變形量。通過這種措施，控制前面板在翻身之后，應力集中點（主要為中心線、小軸套附近）平面度控制在±2.5mm，翻身后，軸套的氣刨清根、焊接，再發(fā)生變形。通過反變形措施，最終焊接后的前面板的基本平面度為±1mm(圖1)。
3.2 側板與面板垂直度控制
圖2 齒輪箱內(nèi)部結構（箱型體施工）
如圖2所示，側面板與內(nèi)部結構焊接面存在4條豎直的與內(nèi)部筋板的焊接，而其外側，除與前面板對接處之外（內(nèi)側也有此長焊縫），沒有焊接量，因此側面板在焊接后，必然向箱體內(nèi)部收縮。如果不做好防變形措施，一旦焊接完成后與內(nèi)部結構形成整體，變形幾乎不能調整。為了保證側板與面板垂直度≤1.5mm的技術要求，采用三項主要措施。
第一，如圖3所示，采取反變形措施。在側板與內(nèi)部筋板對接處上面留2mm的縫隙的反變形量。
圖3 側面板反變形（箱型體施工）
第二，如圖4所示，控制焊接工藝。側面板與前面板連接處存在長達4386mm的長直焊縫，采用分中對稱焊法與跳焊法相結合的方式。
第三，鋼性固定措施，如圖4所示陰影部分為鋼性固定長條。對于中間筋板比較少的位置，采取鋼性固定措施，減少側板向內(nèi)部收縮的趨勢。
圖4 側面板鋼性固定（箱型體施工）
采取上述三種控制措施之后，箱體側板只存在細小的波浪變形，通過簡單的火調就能達到側板與面板垂直度≤1.5mm技術要求。最后對需要與升降系統(tǒng)底座及下滑道對接合攏的下端口進行矩形方度校正，測量其對角線長度分別為2676mm,2675mm。這說明，下端口為矩形，即兩側板與面板是垂直的。
3.3 外形尺寸公差控制
圖5 外形尺寸公差（箱型體施工）
外形尺寸長度保證4386±2mm，施工中采取的措施是以上端為基準（即為實料長），下端留有加工余量。這樣處理不僅能保證尺寸，也能夠保證接下來的對接合攏時有足夠的應對意外變形的空間（圖5）。
導向板尺寸要求378±0.6mm，加上內(nèi)側高鉛銅35mm厚度，兩導向板距中心線的距離要求為413±0.6mm。導向板開K型坡口，在焊接時，導向板往兩側偏移的可能性都存在，但是由于外側的T型支撐筋板起到支撐作用（相當于鋼性固定），使得導向板幾乎不往外側偏移，只有可能往內(nèi)側偏移。
為了確保尺寸，施工中主要通過以下兩種方式控制：
第一，鋼性固定措施。如圖6所示陰影部分為所加兩T型和一長條形鋼性固定。
圖6 導向板鋼性固定（箱型體施工）
第二，調整焊接的工藝。先焊接外側的4個T型支撐筋板和內(nèi)側的4個三角形筋板，接著采用兩邊兩名焊工同時施焊的對稱焊接方式焊接導向板。
通過采取這些措施，焊接結束后，去除鋼性固定部件，經(jīng)測量，采樣尺寸為412mm，412mm；413mm，412.5mm；412mm，412mm；413mm，412.5mm；413mm，
413mm；413mm，413mm；413mm，413mm；
4 結 論
1）在箱體焊接過程中綜合利用反變形法、剛性固定法和控制焊接工藝法焊接的箱體不但強度達標，而且外形、尺寸符圖，焊接變形小、焊縫美觀。
2）通過對焊接變形的合理預測，采取了科學的控制措施，實現(xiàn)了對齒輪箱基礎尺寸的有效控制，在保證產(chǎn)品質量的同時降低了勞動成本，提高了工作效率。
參考文獻
[1]唐玉蘭,張君.淺析箱體的焊接過程中常見的問題及解決對策[J]. 有色礦冶, 2009, 25(2):54-55.
[2]王民鋒，岳彩旺.組塊建造過程中焊接變形的控制[C]∕2008全國鋼結構學術年會論文集.2008
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