小直徑集箱管焊接變形及控制

程緒民 周光祿

1. 產(chǎn)品概述

我公司于2015年8月份承接了某光熱發(fā)電設(shè)備公司太陽(yáng)能集箱管的生產(chǎn)加工承攬加工訂單，集箱管材質(zhì)為低碳、低合金的珠光體型熱強(qiáng)鋼12Gr1MoVG鍋爐管，其結(jié)構(gòu)形式為：在主管徑向方向上縱向焊接18只支管，支管中心距160mm；主管直徑為60mm,壁厚5mm，長(zhǎng)度2 800mm，支管直徑35mm，壁厚8mm；焊接結(jié)構(gòu)采用騎座式全焊透形式；技術(shù)要求為縱向支管端面不平度≤1.5mm，主管直線度≤2.5mm；集箱管運(yùn)行規(guī)范是介質(zhì)為430℃的水，工作壓力為19MPa。

2. 集箱管工藝試驗(yàn)

（1）開(kāi)孔變形工藝試驗(yàn) 我們選取如圖1所示的4根相同的集箱管，分別進(jìn)行了氣割開(kāi)孔和鉆床鉆孔工藝試驗(yàn)。

對(duì)氣割開(kāi)孔試驗(yàn)的集箱管（L=160mm）按順序連續(xù)氣割開(kāi)孔（φ19mm），氣割開(kāi)孔后經(jīng)測(cè)量直線度，產(chǎn)生了向集箱管縱向開(kāi)孔一側(cè)的凹形彎曲變形，變形偏差為3~3.5mm。

對(duì)采用鉆床進(jìn)行機(jī)加工鉆孔的試件，進(jìn)行了直線度的測(cè)量，產(chǎn)生的彎曲度偏差均在2mm，未出現(xiàn)較大的彎曲變形。

綜合試驗(yàn)結(jié)論：由于在火焰切割過(guò)程中，采用熱輸入較小，管子壁厚相對(duì)較大，變形量與鉆床鉆孔變形量相比偏差基本相一致，只要在焊接過(guò)程中采取可行的焊接工藝，即可滿足集箱管技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求，所以我們決定采用火焰切割管孔工藝。

（2）焊接工藝試驗(yàn) 我們?cè)趩胃涔苌线M(jìn)行了焊接變形試驗(yàn)，焊接參數(shù)如表1所示。從集箱管兩端同時(shí)向中心焊接，焊接結(jié)束后，集箱管出現(xiàn)側(cè)彎現(xiàn)象，經(jīng)測(cè)量側(cè)彎偏差30mm，變形嚴(yán)重，測(cè)量結(jié)果如圖2所示。經(jīng)單根焊接試驗(yàn)證明，單根產(chǎn)品如無(wú)有效防變形措施是不能滿足圖樣設(shè)計(jì)要求的。

3. 集箱管變形產(chǎn)生原因分析

經(jīng)試驗(yàn)分析，影響集箱管焊接變形主要有以下兩種因素：

圖1

表1 焊接參數(shù)

（1）縱向開(kāi)孔變形 集箱管在縱向中心線上密集開(kāi)設(shè)了中心距160mm，φ19mm管孔，由于集束管數(shù)量龐大及火焰切割管孔對(duì)集箱管加熱的局部性，導(dǎo)致集束管軸向有輕微撓曲度變形（見(jiàn)圖3），經(jīng)檢測(cè)變形量最大為3~3.5mm。

（2）焊接變形 集束管上管接頭的焊接（管接頭高度100mm, φ20mm，壁厚8mm，中心距160mm），由于技術(shù)要求管接頭采用全焊透坡口形式，所以在焊接工藝中要求氬弧焊打底，手工焊填充蓋面。由于支管為騎座式安裝，造成填充金屬較多，熱輸入較大，加之支管之間間距短，支管數(shù)量多，并且整個(gè)產(chǎn)品焊接過(guò)程處于不均勻加熱和冷卻狀況，從而導(dǎo)致集箱管由于焊接殘余應(yīng)力在縱向和橫向產(chǎn)生變形（見(jiàn)圖4）。

4. 集箱管焊接防變形措施

（1）縱向變形控制措施 我們采用了兩組產(chǎn)品進(jìn)行組裝對(duì)接（見(jiàn)圖5），這樣裝配使焊后的殘余變形在縱向上能夠相互拘束，對(duì)產(chǎn)品焊接變形起到控制作用。

圖2

圖3

圖4

（2）橫向變形控制措施 針對(duì)集箱主管橫向變形，設(shè)計(jì)了專用組裝工裝，采用夾具進(jìn)行剛性固定，控制產(chǎn)品焊接時(shí)產(chǎn)生的彎曲變形及撓曲度變形。

（3）焊接順序的控制 我們采用兩名焊工對(duì)稱跳焊，從兩端向中間的方法進(jìn)行焊接（見(jiàn)圖6），這樣可以使焊接變形減小，達(dá)到總體變形減小的目的。

另外，焊接采用小電流、快速焊工藝，減少熱輸入，降低焊接變形量，焊接參數(shù)如表2所示。

（4）焊后熱處理 由于焊后熱處理有著將彈性變形轉(zhuǎn)化為塑性變形的能力，起到穩(wěn)定結(jié)構(gòu)尺寸的作用，所以對(duì)集箱管進(jìn)行670℃的爐內(nèi)整體消除應(yīng)力熱處理。

5. 成品檢測(cè)

嚴(yán)格按制定的防變形措施進(jìn)行小批量生產(chǎn)，集箱管最后加工為成品后，經(jīng)抽樣檢測(cè)，縱向變形量（最大為1.5mm）及橫向變形量（最大為1.0mm）得到了有效控制，縱向支管端面不平度≤1.5mm，主管直線度≤2.5mm，各檢測(cè)項(xiàng)目均符合圖樣設(shè)計(jì)要求。檢測(cè)結(jié)果如表3所示。隨后，產(chǎn)品投入批量生產(chǎn)，經(jīng)檢測(cè)，無(wú)不合格品出現(xiàn)。

6. 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)集箱管這種小直徑產(chǎn)品，在組對(duì)裝配、焊接順序、熱處理等各方面采取合理有效的工藝措施，就能保證產(chǎn)品質(zhì)量符合設(shè)計(jì)要求，對(duì)今后同類(lèi)產(chǎn)品的生產(chǎn)具有重要的借鑒意義。

圖5

圖6

表2 焊接參數(shù)

表3 抽檢記錄