分析焊接鍋爐鋼架焊接變形的原因及控制措施

齊繼玄

【摘 要】焊接鍋爐鋼架在安裝過程中，為了保證安裝精度，必須防止焊接時變形。本文分析了鍋爐鋼架焊接變形的原因，并針對這一現(xiàn)象提出了對應(yīng)的控制措施，有效減小其焊接變形，既提高了鍋爐焊接質(zhì)量，同時降低了生產(chǎn)成本，為該產(chǎn)品制造提供了借鑒。

【關(guān)鍵詞】鍋爐鋼架;焊接;變形;控制措施

雖然我國對鍋爐鋼架結(jié)構(gòu)焊接的研究已經(jīng)由來已久，對其焊接變形的規(guī)律及矯正方法也有了一套相對成熟的施工方案，但是相關(guān)的研究還仍然處在經(jīng)驗化階段，沒有比較科學(xué)的、定量的研究[1]。目前，我國鍋爐鋼架結(jié)構(gòu)焊接施工方案大多依照經(jīng)驗制定，若事后發(fā)生焊接變形，就采用加熱或冷拉的工藝處理，這必然會造成成本的增加和工期的延長。因此分析鍋爐鋼架焊接變形的原因，并找相對應(yīng)的控制措施，從而提高焊接質(zhì)量極其重要。

一、鍋爐鋼架焊接變形的原因

（一）焊接接頭復(fù)雜

對于每臺鍋爐，其爐立柱的對接接頭有三十多處，其焊接接頭較為復(fù)雜，包括組合焊縫、塔接、角接、對接等各種形式的接頭[2]。事實上，焊接接頭的殘余應(yīng)變是影響焊接變形的最主要原因。

（二）焊接位置復(fù)雜

每臺鍋爐的焊接位置包括斜、仰、立、橫、平等，其位置的不同，造成了焊接技術(shù)的差異，其焊接過程中殘余應(yīng)變也會各不相同，因此極易導(dǎo)致焊接變形。比如說，立柱不同位置的角接焊縫和對接焊縫不對稱的殘余應(yīng)變會造成其彎曲變形，同時造成彎曲變形的另一重要原因是立柱對接節(jié)點(diǎn)兩側(cè)的支撐和重力作用。

（三）焊接結(jié)構(gòu)復(fù)雜

鍋爐的對接鋼板尺寸不同，其結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，焊縫集中處較多，極易產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力，焊接過程中容易產(chǎn)生較大的變形。地面組合時，只要能保證焊腳尺寸和點(diǎn)固焊縫的長度，立柱與橫梁的（不論是否帶拉條）連接處會由于自身結(jié)構(gòu)原因產(chǎn)生較大的固定剛度（即拘束度），從而有效地阻止了焊接變形。由于立柱的翼板之間和腹板之間對接焊縫的橫向殘余應(yīng)變和腹板和翼板之間的角焊縫的縱向殘余應(yīng)變，造成立柱對接節(jié)點(diǎn)處的縱向收縮變形和彎曲變形。

二、鍋爐鋼架焊接變形的的解決措施

（一）分析鍋爐變形部位，得出其關(guān)鍵變形部位

從鍋爐生產(chǎn)實際中出現(xiàn)的問題和鋼架節(jié)點(diǎn)的焊縫分布方式著手，仔細(xì)分析了鋼架整體安裝焊接流程及鋼架節(jié)點(diǎn)上焊縫的拘束度，尋找最容易產(chǎn)生焊接變形超標(biāo)的部位[3]。在地面組合時，首先會成跨找正，當(dāng)整體找正后方進(jìn)行點(diǎn)固焊。因此，確保點(diǎn)固焊的強(qiáng)度，在正式焊接時，立柱與拉條、次梁或橫梁的連接點(diǎn)就形成一個高剛度結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可以有效的避免焊接變形，從而保證這些節(jié)點(diǎn)的安裝精度。立柱焊接發(fā)生在鋼架整體找正之前，除非是制造了特殊夾持條件，否則焊接變形就難以控制。所以只有掌握了焊接變形控制的工藝要點(diǎn)，方能將焊接變形掌握在標(biāo)準(zhǔn)之內(nèi)。

（二）運(yùn)用焊接模擬仿真技術(shù)，定量化分析焊接變形

鍋爐的焊接是一個及其復(fù)雜的過程，在這個過程中，材料會發(fā)生相變、高溫熔化、冷卻、凝固結(jié)晶等各種微觀結(jié)構(gòu)變化及缺陷的生成和消失，其涉及一系列復(fù)雜的冶金、化學(xué)和物理變化，才成為焊接成品。這個復(fù)雜的焊接工藝的形成來自于相關(guān)人員的經(jīng)驗積累，造成難以預(yù)計其優(yōu)劣，故而會存在一些問題，如工作量較繁重、效率不高、對工藝設(shè)計人員要求較高等。沒有應(yīng)用仿真技術(shù)，只能依靠工作人員一次次的實驗不同的工藝方法，在此基礎(chǔ)上來優(yōu)化方案。這個過程需要耗費(fèi)大量的時間、財力、物力和人力，其直接影響制造質(zhì)量和數(shù)量，甚至影響經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。而鍋爐焊接過程中仿真技術(shù)的應(yīng)用，使得這些復(fù)雜的物理冶金參數(shù)，如相變、變形、應(yīng)變和應(yīng)力等，測量變的更為容易，改變了定量化分析的窘?jīng)r，使得焊接這門工藝向著更為科學(xué)的方向發(fā)展。鍋爐焊接中仿真技術(shù)的引用，能夠更為高效的優(yōu)化工藝參數(shù)，有利于設(shè)計更為合理的工藝流程，降低項目成本，并縮短項目工期。因此，應(yīng)用先進(jìn)的仿真模擬軟件分析焊接工藝，必將成為現(xiàn)代化制造業(yè)發(fā)展的一個重要方向。

（三）施工前優(yōu)化各種工藝參數(shù)和焊接順序

在施工工藝制定階段，采用焊接模擬仿真技術(shù)，在較為成熟的焊接工藝評定報告基礎(chǔ)上，優(yōu)化冷卻條件、夾持條件、焊接順序、焊接工藝參數(shù)等影響因素，可以有效地控制焊接變形量，從而避免焊接完成后再做加熱矯正和機(jī)械矯正，節(jié)省了大量的經(jīng)濟(jì)成本和時間成本。在大型制造業(yè)中，精確地控制和預(yù)測焊接變形極其重要，為提高其效率，在設(shè)計和制定施工工藝階段預(yù)制造過程中會出現(xiàn)的焊接變形，并對制造的每一步驟進(jìn)行焊接變形分析，同時于生產(chǎn)中考慮到分段的變形量最小的確切的焊接余量。

（四）簡化模型，避免復(fù)雜計算并減少時間

在實際生產(chǎn)中，焊接是一個瞬間、生成劇變溫度場的復(fù)雜過程，涉及冶金作用和物理作用等復(fù)雜變化。如若采用三維瞬態(tài)模擬仿真技術(shù)，精確分析焊接應(yīng)變及應(yīng)力，同時分析焊接過程中逐步演化的趨勢，物理建模時間耗費(fèi)巨大，哪怕利用高性能計算機(jī)進(jìn)行計算也是非常耗時的。如果緊抓焊接變形這個要點(diǎn)，利用固有應(yīng)變法對模型進(jìn)行了極大的簡化，可以有效地節(jié)省生產(chǎn)中的時間成本、人工成本和經(jīng)濟(jì)成本。

結(jié)語

綜上所述，由焊接鍋爐鋼架焊接接頭復(fù)雜、焊接位置復(fù)雜、焊接結(jié)構(gòu)復(fù)雜變形的原因，焊縫集中處較多，容易產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力，焊接過程中容易產(chǎn)生較大的變形。通過分析鍋爐變形部位，得出其關(guān)鍵變形部位;然后運(yùn)用焊接模擬仿真技術(shù)，定量化分析焊接變形;并在施工前優(yōu)化各種工藝參數(shù)和焊接順序;最后通過簡化模型，避免了復(fù)雜計算，同時減少時間成本。從而得到鋼結(jié)構(gòu)焊接變形控制的關(guān)鍵工藝要點(diǎn)和施工原則，為今后的應(yīng)用和研究提供參考。

參考文獻(xiàn)：

[1]金純，唐旭臣.略談鍋爐安裝質(zhì)量控制要點(diǎn)[J].山東工業(yè)技術(shù)，2017（06）：84.

[2]孫永輝，孫文琦.電站鍋爐鋼結(jié)構(gòu)焊接質(zhì)量控制探究[J].建材發(fā)展導(dǎo)向（上），2019，17（8）：94.

[3]王東志.電站鍋爐空氣預(yù)熱器T型鋼焊接變形控制[J].金屬加工（熱加工），2016（24）：42-44.

（作者單位：山東電力工程咨詢院有限公司）