一種不銹鋼薄板異形構件的焊接變形控制研究及應用

劉 山 厲福海 任小省

（山東核電設備制造有限公司，山東 海陽 265110）

國內(nèi)某核電設備上一組件中的構件采用3mm厚ASTM TP304不銹鋼薄板拼焊而成。該構件焊接結構比較復雜，既有連續(xù)坡口焊縫又有斷續(xù)角焊縫，涉及到多個零件之間組對和裝配。該構件是一種異形構件，難以采用諸如反變形方法來抵消焊后的變形，使得焊接變形控制起來難度更大，且一旦變形，矯形非常困難。

目前對焊接應力變形的控制以及焊后應力消除甚至低應力無變形研究較多，比如預拉伸法、靜動態(tài)溫差拉伸法、隨焊錘擊法、隨焊沖擊碾壓法、隨焊旋轉擠壓法和振動法等，這些方法能在一定程度上減小應力和變形，但是都不能夠解決本結構的所有變形問題。因而，對該部件焊接變形進行分析研究，確定可靠的焊接變形控制方法顯得尤為重要。

1 產(chǎn)品介紹

整個組件由8個構件裝配而成（如圖1所示）。所有構件均為不銹鋼薄板焊接結構，零件尺寸公差多為±1.5mm，構件間裝配間隙要求為1.6mm，構件到中心組裝精度為0，+3.2mm，要想滿足這些要求，每個構件的制造精度就需要更加精密。本文述及的異形構件的結構形式及典型焊接焊接節(jié)點如圖2所示，構件高度為1420mm，是采用3mm厚A240 TP304L不銹鋼薄板制造。焊接接頭外側為坡口焊縫，內(nèi)側焊縫為斷續(xù)角焊縫。

圖1 組件示意圖

2 變形趨勢分析

不銹鋼相對碳鋼導熱系數(shù)小，線膨脹系數(shù)大，焊接時變形較大，薄板的焊接變形就更為復雜。通過理論分析，構成構件主要結構的角形結構會發(fā)生圖3所示的焊接變形，即焊縫縱向收縮引起的棱邊彎曲及棱邊長度縮短；焊縫橫向收縮引起的α1和α2的改變，使得α1和α2減小或增大，且α1≠α2等。這些變形綜合反應到構件上，將使構件的變形有諸多的不確定性。

3 焊接試驗及結果分析

3.1 焊接方法的選擇

對于3.0mm奧氏體不銹鋼薄板的焊接，比較適合的焊接方法有鎢極氬弧焊、焊條電弧焊、等離子弧焊、激光焊、電子束焊等。綜合考慮產(chǎn)品結構特點，設計要求、操作難易程度以及投資成本情況，確定選擇手工鎢極氬弧焊和焊條電弧焊。

圖2 構件圖及典型焊接節(jié)點示意圖

圖3 角形結構焊接變形趨勢

3.2 小尺寸試件焊接

采用3mm的不銹鋼板，模擬產(chǎn)品主要焊接結構進行了小尺寸試件焊接變形試驗，試驗情況如下：

試件1是在內(nèi)部用L50角鋼縱向采用定位焊固定，外側坡口焊縫焊接完成后，拆除內(nèi)部角鋼，再焊接內(nèi)側角焊縫；試件2從內(nèi)部用條形鋼板橫向固定（參見圖4），先焊接外側坡口焊縫，后焊接內(nèi)部角焊縫；試件3內(nèi)部用條形板橫向固定，結合外部用長條板縱向固定（條形板距離棱邊30mm，同樣是先焊接外側坡口焊縫，后焊接內(nèi)側角焊縫。

外側坡口焊縫采用鎢極氬弧焊焊接，使用ER308L焊絲，電流50-80A，電壓10-17V，焊接速度8-12mm/min，保護氣體為純氬，流量為8-12l/min。里側角焊縫采用焊條電弧焊焊接，焊條采用ER308L-15，直徑 φ3.2mm，焊接電流 70-90A，電壓20-24V，焊接速度5-12mm/min，焊接順序見圖5。

圖4 試件3固定板位置示意圖

圖5 試驗件焊接順序

試件焊接完成后測量的數(shù)據(jù)見表1。從試驗結果看，3件試件均出現(xiàn)了不同程度的角變形、棱邊縮短和棱邊彎曲情況，且棱邊的彎曲位置和彎曲方向有不確定性。其中件1的角變形最大，件2和件3相對較小且二者變形情況接近；件1和件3起焊端和終焊端角度差距較大，件2差距很?。患?的棱邊彎曲程度最大，件3的棱邊彎曲程度最小。縱向收縮情況是件3最小，件2最大?？梢?，橫向支撐對角變形的控制有一定的效果，在外側焊接順序相同的情況下，內(nèi)側焊縫采取跳焊法對縮小起焊端和終焊端角變形的差距有利；縱向固定對控制棱邊縮短和棱邊彎曲有一定的效果，且固定位置距離焊縫越近越有利。但是以上這些固定方式對控制棱邊彎曲及角變形的效果并不十分理想。在試驗過程中，發(fā)現(xiàn)試件的組對很不方便，并且需要每隔80mm的間距焊接一處定位焊縫進行定位，否則就會在焊接時出現(xiàn)錯邊情況。

表1 小尺寸試件焊接變形試驗數(shù)據(jù)

3.3 工裝設計制造

要求該工裝能夠解決小尺寸試件焊接試驗中遇到的問題，即起到方便零件組對，能夠可靠的定位和剛性固定待焊零件，一次裝夾即能完成外側坡口焊縫和內(nèi)側斷續(xù)角焊縫的焊接，能夠翻轉變位，使待焊焊縫轉到方便焊工施焊的平焊位置。

為滿足以上要求，設計并加工了一個與零件內(nèi)腔尺寸一樣的W型夾具體，該夾具體采用板材組焊成后用數(shù)控銑床對定位面進行銑削，以保證夾具體的尺寸公差和形位公差。采用螺旋夾緊的方式，利用密排的壓板將零件壓緊并固定在夾具體上，以保證零件的組裝焊接精度。同時，在夾具體上按照產(chǎn)品中斷續(xù)焊縫的位置開出了斷續(xù)通槽，使原本被夾具體擋住的焊縫能夠不用拆零件就能夠一次焊接完成，既利于焊接變形的控制又極大的提高了生產(chǎn)效率。該夾具體可以繞支撐架360°旋轉并利用定位盤和插桿定位在需要的位置上，使所有焊縫均可以處于平焊位置，工裝夾緊結構示意圖見圖6。

圖6 焊接工裝夾緊示意圖

3.4 模擬件的焊接

利用此焊接工裝，進行了模擬件制作。制作過程中同時采用了小電流快速焊，工藝參數(shù)與焊接小尺寸試驗件時相同，焊接時先采用GTAW方法焊接外側的坡口焊縫，再采用SMAW焊接方法，透過斷續(xù)通槽焊接內(nèi)側的斷續(xù)角焊縫。焊接順序采用了如圖7所示的大間隔跳焊。

模擬件焊接完成后，經(jīng)過測量，角度的公差變化在0.2°以內(nèi)，焊接棱邊長度縮短率在0.035%以內(nèi)，長度為1422mm的棱邊彎曲僅0.2mm，，角度的公差變化在0.2°以內(nèi)，大大低于不用工裝時候的變形量。

小尺寸試件焊接時，縱向固定件距離焊縫邊緣分別是30mm和50mm，橫向固定是間斷性的，采用工裝夾具后，壓板與焊縫間距離5mm，夾具體和密排的壓板對焊縫全長范圍進行了近距離拘束，因而剛性固定效果大大好于小尺寸試件的臨時附件固定；同時，工裝夾具體與壓板一起對工件起到強制冷卻的作用，使焊接熱量得以快速擴散，加之大間隔跳焊焊接順序使熱量更分散，因而大大降低了焊接變形。

圖7 焊接順序

結語

4.1 不銹鋼熱系數(shù)小，線膨脹系數(shù)大，焊接時變形較大，對于精度要求高的薄板焊接件的焊接變形不采取有效的措施進行控制難以保證尺寸精度。

4.2 采用適宜的焊接工裝，結合大間隔跳焊工藝可以將焊接變形控制在較小的范圍內(nèi)。

4.3 目前已采用上述方法成功地制造了8件產(chǎn)品，尺寸精度完全滿足設計要求。

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