壓力容器焊接變形的控制與矯正

摘 要：在壓力容器生產(chǎn)制造過(guò)程中，由于焊接作業(yè)時(shí)母材局部受熱不均勻?qū)е赂鞣N焊接變形的發(fā)生，通過(guò)分析原因，探討焊接變形控制與矯正的方法，提出相應(yīng)的措施。

關(guān)鍵詞：壓力容器； 焊接變形；控制；矯正

近年來(lái)，隨著我國(guó)工業(yè)生產(chǎn)制造的不斷發(fā)展，焊接技術(shù)以其工序簡(jiǎn)單、操作方便、適用性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)已經(jīng)發(fā)展成工業(yè)制造特別是壓力容器制造的重要技術(shù)手段。但是，由于焊接工藝參數(shù)選擇不合理、組裝和施焊的順序不當(dāng)，造成母材局部受熱不勻，產(chǎn)生了各種焊接變形。焊接變形會(huì)降低焊接接頭的力學(xué)性能和化學(xué)性能，也會(huì)影響到后續(xù)的裝配。另外，對(duì)過(guò)大的焊接殘余變形進(jìn)行矯正，不但增加了制造成本，也降低了產(chǎn)品的焊接質(zhì)量，影響了工作效率。

1 壓力容器常見(jiàn)的焊接變形的原因及控制

壓力容器是指盛裝氣體或者液體，承載一定壓力的密閉設(shè)備，貯運(yùn)容器、反應(yīng)容器、換熱容器和分離容器均屬壓力容器。壓力容器焊接變形的常見(jiàn)種類(lèi)有管板焊接變形，薄板焊接變形，大直徑平焊法蘭焊接變形。

1.1 管板焊接變形

管板的焊接變形常見(jiàn)的形式主要有兩種，即拱形變形和波浪變形。其變形的主要原因如下。

（1）管板與筒體的坡口角度。管板與筒體的坡口角度及焊縫截面形狀對(duì)焊接接頭的角變形影響很大，坡口角度越大，焊接接頭上部和下部橫向收縮量差別就越大。因此在保證焊透的前提下，坡口角度應(yīng)盡量小，當(dāng)筒體厚度超過(guò)16mm，應(yīng)采用U型坡口。

（2）焊接層數(shù)。焊接層數(shù)越多，角變形越大。層數(shù)多，反復(fù)施焊相當(dāng)于對(duì)材料進(jìn)行反復(fù)加熱與冷卻，加劇了變形量。因此，為了控制焊接角變形，焊接層數(shù)應(yīng)越少越好。在保證強(qiáng)度的前提下，也應(yīng)該盡量減少焊角高度。

（3）焊接工藝參數(shù)。在能熔透的前提下應(yīng)盡量采用小電流施焊，避免造成局部過(guò)熱引起變形。A

1.2 薄板焊接變形

薄板焊接變形按照變形的程度可分為整體變形與局部變形。其中整體變形指焊接作業(yè)完成后整個(gè)結(jié)構(gòu)的比例與尺寸等參數(shù)發(fā)生的變形，包括橫向變形、縱向變形、彎曲變形和扭曲變形等。局部變形包括波浪變形和角變形。變形因素主要包括焊接工藝參數(shù)、斷截面大小與焊縫數(shù)量及材料的熱物理性能。

（1）焊接工藝參數(shù)。焊接工藝參數(shù)包括焊接電流、電弧電壓、焊接速度等。一般而言，焊接電流以電壓與結(jié)構(gòu)變形度成正比，而與焊接的速度成反比，在焊接時(shí)適當(dāng)控制這三個(gè)參數(shù)即焊接線能量可以有效預(yù)防一定程度的焊接變形。

（2）斷截面大小與焊接層數(shù)。對(duì)與薄板，斷截面相對(duì)較小，因此焊接層數(shù)也較少，對(duì)焊接變形的影響也小。但是在實(shí)際生產(chǎn)制造過(guò)程中，往往因?yàn)楹附訉訑?shù)少了，焊接電流和電弧電壓就會(huì)調(diào)高，希望一次成型，這樣的結(jié)果就是產(chǎn)生了嚴(yán)重的焊接變形。

（3）材料的熱物理性能。熱物理性能是材料固有的宏觀熱學(xué)性能，中熱擴(kuò)散率、線膨脹系數(shù)對(duì)薄板焊接的變形影響最大。同樣厚度和形狀的碳鋼板和不銹鋼板，采用相同的焊接工藝參數(shù)，焊接后產(chǎn)生的變形，不銹鋼板要遠(yuǎn)大于碳鋼板。于熱擴(kuò)散率低，線膨脹系數(shù)大的材料，相應(yīng)的焊接線能量就應(yīng)取較小的值。

1.3 大直徑平焊法蘭焊接變形

大直徑平焊法蘭焊接變形主要有法蘭端面變形、法蘭直徑變形和與法蘭焊接的筒體的變形。大直徑平焊法蘭焊接變形的原因如下。

大直徑平焊法蘭與筒體焊接時(shí)，由于法蘭直徑大，剛性差，焊道長(zhǎng)，焊完一圈需要的時(shí)間長(zhǎng)。在焊接過(guò)程中，焊縫熔合區(qū)受熱和冷卻速度以及焊縫間斷的冷卻時(shí)間間隔太長(zhǎng)，造成整個(gè)焊縫區(qū)受熱不均勻，焊縫收縮變形也不均勻，由此產(chǎn)生了焊接變形。焊接采用單面連續(xù)焊時(shí)，法蘭焊接區(qū)周向受熱部分受到焊縫冷卻時(shí)環(huán)向收縮應(yīng)力的作用，發(fā)生平面變形。同時(shí)由于焊縫的環(huán)向的焊接收縮量很大，也進(jìn)一步將變形擴(kuò)大，形成了不規(guī)則的橢圓現(xiàn)象，有內(nèi)凹，也有外凸。法蘭斷面的扭轉(zhuǎn)力非常大，足以使筒體也產(chǎn)生相應(yīng)的變形。本公司在2014年生產(chǎn)制造的一臺(tái)立式換熱容器，焊接完畢后進(jìn)行了相關(guān)尺寸的測(cè)量，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)比標(biāo)準(zhǔn)要求超出了幾倍。

2 控制焊接變形的措施及矯正方法分析

要防止和減少焊接的變形，克服在冷熱循環(huán)所造成的影響，則必須采取相應(yīng)措施，主要的措施有設(shè)計(jì)措施和工藝措施。

2.1 設(shè)計(jì)措施

在設(shè)計(jì)上首先要選擇合理的焊縫形狀和尺寸。焊縫形狀即坡口的形狀，對(duì)于相同厚度的平板對(duì)接，開(kāi)V形坡口焊縫的角變形明顯大于雙V形或雙U形坡口焊縫。對(duì)于能翻轉(zhuǎn)、有兩面施焊條件的結(jié)構(gòu)，宜選用兩面對(duì)稱(chēng)的坡口形式。在尺寸上，在保證結(jié)構(gòu)有足夠的焊接性能的前提下，坡口角度應(yīng)盡量采用較小的值。

2.2 工藝措施

控制焊接變形的工藝措施主要有熱平衡法、留余量法、散熱法等。熱平衡法主要用于某些焊縫不對(duì)稱(chēng)布置的結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)焊接后往往會(huì)產(chǎn)生彎曲變形。施焊的同時(shí)在焊縫對(duì)稱(chēng)的位置上采用氣體火焰同步加熱，只要加熱的工藝參數(shù)選擇適當(dāng)就可以明顯減少完全變形的產(chǎn)生。留余量法就是在下料的時(shí)候?qū)⒘慵某叽绫仍O(shè)計(jì)尺寸適當(dāng)加大，以補(bǔ)償焊件的收縮，常用于與大尺寸封頭對(duì)接的不銹鋼筒體。散熱法是利用各種方法將施焊處的熱量迅速散走，減小受熱區(qū)的焊接變形。此方法經(jīng)常用于管板的堆焊。在現(xiàn)場(chǎng)焊接作業(yè)當(dāng)中，應(yīng)綜合考慮各種變形，必要時(shí)采用組合的方法才能有效控制焊接變形。

雖然有各種措施方法來(lái)控制焊接變形，但影響的因素太多，有的時(shí)候無(wú)法面面俱到，無(wú)法避免會(huì)出現(xiàn)各種變形。當(dāng)殘余的變形超出技術(shù)要求時(shí)必須采取矯正的方法。常用的矯正方法有冷矯正法和熱矯正法。冷矯正分為手工矯正和機(jī)械矯正。手工矯正主要用于矯正薄板、薄壁殼體焊件和小型焊件的彎曲變形、角變形和波浪變形等。機(jī)械矯正主要是利用機(jī)械工具，如千斤頂，拉緊器，液壓機(jī)等通過(guò)機(jī)械壓力或拉力來(lái)矯正焊接變形。熱矯正是利用火焰局部加熱，使焊接產(chǎn)生反向變形，抵消焊接變形，但要注意加熱溫度，不能使材料的金相組織發(fā)生變化。

3 結(jié)語(yǔ)

焊接的變形是不可避免的，通過(guò)相對(duì)完善的措施與方法可以得到一定程度的控制，但是實(shí)際生產(chǎn)當(dāng)中會(huì)有不可預(yù)料的因素。因此，焊接變形的矯正工作也是非常需要的，企業(yè)通過(guò)深入掌握并靈活運(yùn)用相關(guān)焊接變形的理論，對(duì)提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率都有相當(dāng)大的幫助。

參考文獻(xiàn)：

[1]王大闖.薄板結(jié)構(gòu)件焊接變形的控制與矯正方法[J].技術(shù)與市場(chǎng)， 2013.

作者簡(jiǎn)介：邵東衛(wèi)（1981-），男，浙江蘭溪人，本科，研究方向：機(jī)械制造。endprint