壓力容器焊接變形的控制與矯正研究

呂瑋

摘 要：在當(dāng)前的工業(yè)生產(chǎn)當(dāng)中，壓力容器是一個(gè)十分重要的工業(yè)部件。而在壓力容器的生產(chǎn)過程中，需要進(jìn)行焊接的操作。在很多時(shí)候，焊接過程中由于母材局部沒有均勻受熱，因而導(dǎo)致發(fā)生了不同程度的焊接變形情況。文章對壓力容器常見的焊接變形原因進(jìn)行了分析，進(jìn)而提出了一些矯正方法。

關(guān)鍵詞：壓力容器；焊接變形；控制與矯正

前言

隨著我國社會經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域當(dāng)中，焊接技術(shù)是一項(xiàng)十分良好的工業(yè)制造技術(shù)，其具有適用性強(qiáng)、操作方便、供需簡單等優(yōu)點(diǎn)，尤其是在壓力容器的制造中更為重要。不過，由于施焊、組裝、焊接工藝參數(shù)選擇等方面的問題，使得壓力容器焊接中常出現(xiàn)變形的現(xiàn)象。這種情況會對焊接接頭的化學(xué)性能、力學(xué)性能等產(chǎn)生不良的影響，同時(shí)也會影響到后續(xù)的裝配。而且，在焊接變形的矯正當(dāng)中，也會降低壓力容器的質(zhì)量，增加生產(chǎn)成本，同時(shí)影響生產(chǎn)效率。

1 壓力容器焊接變形的原因

壓力容器是當(dāng)前工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域當(dāng)中的重要設(shè)備，它是一種良好的密閉設(shè)備，內(nèi)部盛裝液體或氣體，需要承載一定的壓力。在實(shí)際生產(chǎn)中，反應(yīng)容器、分離容器、換熱容器、貯運(yùn)容器等，都屬于壓力容器的范疇。在壓力容器的焊接變形當(dāng)中，主要包括大直徑平焊法蘭焊接變形、薄板焊接變形、管板焊接變形等不同種類的焊接變形。

1.1 大直徑平焊法蘭焊接變形

在大直徑平焊法蘭焊接變形當(dāng)中，主要包括法蘭焊接筒體變形、法拉直徑變形、法蘭端面變形等類型。其主要的原因是由于在焊接大直徑平焊法蘭與筒體的過程中，由于法蘭焊道長、剛性差、直徑達(dá)，因此需要較長時(shí)間才能夠完成一圈的焊接[1]。這就使得焊縫熔合區(qū)的冷卻、受熱、以及焊縫間斷冷卻時(shí)間間隔過長，焊縫區(qū)的沒有均勻受熱，因此產(chǎn)生了不均勻的焊縫收縮，進(jìn)而導(dǎo)致了焊接變形。如果采用單面連續(xù)焊接方式，冷卻過程中會產(chǎn)生環(huán)向收縮應(yīng)力，會對法蘭焊接區(qū)周向收入部分造成影響，引起平面變形。焊縫環(huán)向焊接收縮量較大，也會進(jìn)一步擴(kuò)大變形，產(chǎn)生外凸、內(nèi)凹等不規(guī)則的橢圓。在法蘭端面具有較大的轉(zhuǎn)力，能夠引發(fā)筒體的變形。在實(shí)際生產(chǎn)當(dāng)中，所測量的壓力容器產(chǎn)品的尺寸信息，往往都會高于要求標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)倍以上，對工業(yè)生產(chǎn)造成了十分不利的影響。

1.2 薄板焊接變形

在薄板焊接變形當(dāng)中，根據(jù)變形程度的不同，可細(xì)分為局部變形、整體變形等。其中，局部變形主要包括角變形、波浪變形等，在實(shí)際生產(chǎn)中，斷截面積的大小、焊接材料的熱物理性能、焊縫數(shù)量的多少、焊接工藝參數(shù)的選擇等因素，都會對其造成影響。整體變形主要包括縱向變形、扭曲變形、彎曲變形、橫向變形等類型，具體指的是在完成焊接工作之后，整個(gè)壓力容器的尺寸、結(jié)構(gòu)比例等參數(shù)均發(fā)生了一定的變化。

熱物理性能是一種宏觀的熱學(xué)性能，它是材料所固有的屬性。對于薄板焊接變形來說，線膨脹系數(shù)、中熱擴(kuò)散率等因素能夠?qū)ζ洚a(chǎn)生巨大的影響。比較不銹鋼板和碳鋼板，如果材料的形狀、厚度相同，選取同樣的焊接工藝參數(shù)進(jìn)行，在焊接之后，碳鋼板的變形量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于不銹鋼板。對于線膨脹系數(shù)較大、熱擴(kuò)散率較低的材料來說，焊接線就應(yīng)當(dāng)取較小的能量值[2]。在薄板材料當(dāng)中，由于斷截面積通常比較小，所以焊接層數(shù)也不多，不會對焊接變形產(chǎn)生太大的影響。然而，在實(shí)際生產(chǎn)過程中，正是由于焊接層數(shù)較少，因而通常會調(diào)高電弧電壓和焊接電流，以期能夠一次性成型，這樣就造成了嚴(yán)重的焊接變形現(xiàn)象。在壓力容器的焊接過程中，焊接速度、電弧電壓、焊接電流等焊接工藝參數(shù)具有十分重要的意義。在通常情況下，焊接電流和電壓與焊接速度成反比，與結(jié)構(gòu)變形度成正比。因此在焊接過程當(dāng)中，應(yīng)當(dāng)對這些工藝參數(shù)進(jìn)行有效的控制，從而對焊接變形的產(chǎn)生發(fā)揮一定的預(yù)防作用。

1.3 管板焊接變形

管板焊接變形主要包括波浪變形、拱形變形等類型，產(chǎn)生這些變形現(xiàn)象的主要影響因素包括焊接工藝參數(shù)、焊接層數(shù)、管板和筒體的坡口角度等。在焊接過程中，在確保能夠熔透的基礎(chǔ)上，應(yīng)當(dāng)能夠?qū)⒑附与娏鞅M量降低，防止局部過熱而導(dǎo)致焊接變形。如果焊接材料的層數(shù)越多，就可能產(chǎn)生越大的角變形。由于材料層數(shù)較多，需要反復(fù)的進(jìn)行焊接，材料也就會受到反復(fù)的加熱和冷卻，從而使變形量增加。所以，應(yīng)當(dāng)盡可能地減少焊接層數(shù)，從而降低焊接角變形的發(fā)生。同時(shí)在確保焊接強(qiáng)度的同時(shí)，還應(yīng)當(dāng)將焊角高度盡量降低。對于焊接接頭的焊接角變形來說，管板和筒體的坡口角度、焊縫截面形狀等因素，都會造成較大的影響。坡口處具有越大的角度，在焊接接頭的上下部位就會發(fā)生越大的橫向收縮量差別。所以，在確保能夠焊透的基礎(chǔ)上，應(yīng)當(dāng)盡量降低坡口的角度。如果筒體厚度在16毫米以上，就應(yīng)當(dāng)采用U型坡口。

2 壓力容器焊接變形的控制與矯正

2.1 焊接變形的控制

在壓力容器焊接進(jìn)行之前，應(yīng)當(dāng)對焊縫的尺寸、形狀等進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)和選擇。焊縫的形狀也就是坡口的形狀。在厚度相同的平板對接過程中，U型坡口焊縫和雙V型坡口焊縫所產(chǎn)生的焊縫角變形要小于單V型坡口焊縫。如果焊接結(jié)構(gòu)能夠進(jìn)行兩面施焊和翻轉(zhuǎn)施焊，坡口形式就可以設(shè)計(jì)成兩面對稱的形式。對于焊縫的尺寸，在確保結(jié)構(gòu)焊接性能的基礎(chǔ)上，應(yīng)當(dāng)盡量降低焊縫的坡口角度[3]。

為了對焊接變形進(jìn)行有效的控制，可采取散熱法、留余量法、熱平衡法等焊接工藝。其中，散熱法主要是采取各種方式，迅速的散去施焊處的熱量，降低受熱區(qū)的焊接變形。在管板堆焊當(dāng)中，這種方法應(yīng)用的較為廣泛。留余量法主要是在下料的過程中，適當(dāng)?shù)妮^大設(shè)計(jì)尺寸和零件尺寸，從而對焊件的收縮情況進(jìn)行補(bǔ)償。在不銹鋼筒體與大尺寸封頭的對接過程中，常采用此種方法。熱平衡法主要針對的是不對稱布置的焊縫結(jié)構(gòu)，在不對稱結(jié)構(gòu)的焊接當(dāng)中，時(shí)常會出現(xiàn)彎曲變形。因此在焊接過程中，可采用氣體火焰同步加熱的方法在焊縫對稱位置上進(jìn)行焊接。同時(shí)選擇適當(dāng)?shù)募訜峁に噮?shù)，就能夠?qū)附幼冃芜M(jìn)行有效的控制。

2.2 焊接變形的矯正

在壓力容器的焊接當(dāng)中，由于可造成焊接變形的因素過多，因此，在實(shí)際工作中往往難以進(jìn)行有效的全面控制，因此一些焊接變形的產(chǎn)生也是不可避免的。如果殘余的焊接變形量超出了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，就應(yīng)當(dāng)采用適當(dāng)?shù)拇胧┻M(jìn)行矯正[4]。熱矯正法和冷矯正法是兩種較為常用的矯正方法。其中，熱矯正法主要是在局部進(jìn)行火焰加熱，產(chǎn)生反變形來抵消原焊接變形。冷矯正法主要包括機(jī)械矯正和手工矯正。在實(shí)際焊接生產(chǎn)中，要根據(jù)焊件的實(shí)際性能等因素，來選擇最為合適的矯正方法。

3 結(jié)束語

壓力容器是當(dāng)前工業(yè)領(lǐng)域當(dāng)中的重要應(yīng)用設(shè)備，壓力容器的制作目前采用的大多是焊接工藝。而在壓力容器的焊接過程中，由于各種原因的影響，難免會產(chǎn)生一定的焊接變形。雖然能夠采取一些措施進(jìn)行控制，但由于影響因素過多，因而也無法完全避免。對此，應(yīng)基于焊接變形的產(chǎn)生原因，采用適當(dāng)?shù)拇胧┻M(jìn)行矯正，從而確保壓力容器的應(yīng)用性能。

參考文獻(xiàn)

[1]邵東衛(wèi).壓力容器焊接變形的控制與矯正[J].山東工業(yè)技術(shù)，2015，12：16.

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[3]陳頌陽，閆化云，蘭旭，等.不銹鋼壓力容器焊接變形控制與矯正[J].全面腐蝕控制，2014，1：49-51.

[4]劉林.壓力容器焊接角變形的控制[J].考試周刊，2009，39：173-174.