大面積薄板焊接變形的控制

李波

摘 要：在大面積薄板焊接工程中，焊接變形量的大小是衡量該工程成功與否的重要標(biāo)志，與是工程質(zhì)量好壞的關(guān)鍵，因此控制焊接變形是人們在十分重視而致力開研究的課題。本文就煤氣柜底板焊接工程的成功經(jīng)驗和失敗教訓(xùn)闡述控制薄板焊接變形的一些行之有效的方法及一些初淺的見解，旨在類似工程中借鑒和參考。

關(guān)鍵詞：大面積薄板；焊接變形；控制

如何控制焊接應(yīng)力和變形到最小是大面積薄板焊接中最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)?？刂拼竺娣e薄板焊接工程的焊接變形不能單一行事，而應(yīng)綜合治理。試驗經(jīng)驗告訴我們，焊接工程中的焊接變形和焊合殘余應(yīng)力并不是兩種孤立的現(xiàn)象。大面積薄板焊接焊縫形式主要為對接的搭接。但這兩種焊縫形式產(chǎn)生的變形基本一樣，除產(chǎn)生橫向收縮外，如圖一、二所示，還會產(chǎn)生失穩(wěn)翹曲變形如圖三所示，即常見的薄板焊接后產(chǎn)生的鼓包。

1.以10萬立方曼型煤氣柜的底板為例

煤氣柜底板焊接工程是十分典型的大面積薄板焊接工程。底板由中心板和內(nèi)板組成。中心板和內(nèi)環(huán)板為δ=5mm厚鋼板組成，外環(huán)板為δ=8mm鋼板組成。鋼板材質(zhì)均為Q235B。底板的結(jié)構(gòu)形式如圖四所示。

2.技術(shù)難點

面積大，板比較薄，內(nèi)處環(huán)板厚度不一致，為厚板與薄板對接，規(guī)范要求底板的平面度不在于D/500，且不大于60mm。這就要求在施工時根據(jù)理論與施工經(jīng)驗來制定嚴格的施工工藝，稍不注意就會產(chǎn)生較大的凸起，給后續(xù)施工帶來很大的麻煩。重新修理難度較大，現(xiàn)時會使生產(chǎn)成本大大的增加。而此問題的產(chǎn)生原因歸根到底就是由于焊接工程中由于對焊接應(yīng)力和變形產(chǎn)生的機理不了解，不能合理的安排施工工藝而導(dǎo)致的結(jié)果。因此，合理的施工工藝安排，是在掌握其產(chǎn)生機理原因分析的基礎(chǔ)上產(chǎn)生的，現(xiàn)就是要理論與實踐要相結(jié)合。

3.焊接工藝剖析

（1）分析焊接應(yīng)力和變形產(chǎn)生的機理、影響因素及其內(nèi)在聯(lián)系。

如下圖五所示，給出了引起焊接應(yīng)力和變形的主要因素及其內(nèi)在聯(lián)系

由圖可看出，焊接時局部不均勻的熱輸入是產(chǎn)生焊接應(yīng)力與變形的決定因素。而熱輸入是通過材料因素、制造因素和結(jié)構(gòu)因素所構(gòu)成的內(nèi)拘束度和外拘束度南而影響熱源周圍的金屬運動，最終形成焊接應(yīng)力的變形。從圖可以看出，材料因緣主要為材料特性、熱物理常數(shù)及力學(xué)性能（熱膨脹系數(shù)α=f（t），彈性模量E=f（T），屈服強度σ s=f（T），σ s（T）=0的溫度，TK或稱“力學(xué)熔化溫度”以及相變等）， 焊接溫度場中，這些特性呈現(xiàn)出決定熱源周圍金屬運動的內(nèi)拘束度。制造因素（工藝措施、支持狀態(tài)）的結(jié)構(gòu)因素（構(gòu)件形狀、厚度及剛性等）則更多地影響著熱源金屬的外拘束度。而焊后，在室溫條件下殘留于構(gòu)件中有內(nèi)力和宏觀變化，稱為焊殘余應(yīng)力與焊接殘余變形。

由于焊接應(yīng)力和變形的復(fù)雜性，在工程實踐中往往何用試驗與理論分析和數(shù)值計算相結(jié)合的方法來掌握其規(guī)律，以期能達到預(yù)測控制和調(diào)整焊接應(yīng)力與變形的目的。

（2）工藝措施及剖析

根據(jù)多年的實際經(jīng)驗和理論分析結(jié)果，不管哪種形式的底板，在焊接工藝上采取的工藝措施大致相同，其主要措施有：

① 先焊短焊縫后長焊縫，采取分段退焊，由內(nèi)向外依次進行。

② 中心板和內(nèi)環(huán)板之間的焊縫，可由數(shù)名焊工均布對稱施焊，并可同時進行。

③ 內(nèi)環(huán)板與外環(huán)板的搭接焊縫暫時不焊，留待底層壁板與內(nèi)環(huán)板角

（3）工藝措施的具體剖析

以圖四為例分析

① 先焊短焊縫后長焊縫的基本原理

如圖中的中心板3、4、5短縫，將其由內(nèi)向外焊接為一體，可自由收縮為一整體長條。同理，焊完所有短縫，所有中收板都焊接后得到自由收縮、基本無應(yīng)力的若干長條。然后再將各個長條由內(nèi)向外連接起來，也屬于在自由收縮狀態(tài)下成型，這樣焊接應(yīng)力很小，變形也很小。

反之，若先焊長縫A、B，則將Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四板皆固定在A、B兩條長縫上，然后再去焊3、4、5短縫，三段縫必收縮，收縮時卻受到A、B長縫的限制而不能自由收縮，熱脹時產(chǎn)生壓應(yīng)力，收縮時產(chǎn)生拉應(yīng)力，因而存在較大的焊接應(yīng)力，會產(chǎn)生很大的變形。整個底板若都這樣焊接或無次序地焊接，底板會產(chǎn)生更大的變形，琮會導(dǎo)致底板大量的凸起變形，嚴重的甚至?xí)髲U，造成重大的質(zhì)量事故。

② 所有焊縫均采用分段退焊，由內(nèi)向外依次進行的基本原理

分段退焊基本原理 分段退焊的原理與間歇焊和減少焊接線能量的原理基本是一樣的，主要是縮小焊區(qū)與結(jié)構(gòu)整體之間的溫度差，從然減少變形；同時由于頭尾相接的焊接順序，前一段焊縫剛冷卻下來后一段焊縫的熱量就會給前一段一部分，使其得到一次退火的機會，同時減少了前后的溫差，因而消除應(yīng)力、減少變形。根據(jù)實踐經(jīng)驗，底板的分段退焊，應(yīng)以一根焊條為一個循環(huán)，一根焊條約焊200mm，這樣要比500mm～600mm一個循環(huán)變形要小得多。這樣焊接的缺點是接點增加，降低美觀程度，但比變了形再去處理變形要合算得多（連接焊的接著少且平滑）。

底層邊板與外板的角焊縫焊完后再焊內(nèi)外環(huán)板之間的焊縫

在討論此焊接順序原理之前，請看一個受熱變形的實例，如圖六所示

在一張δ=5mm厚的原平板上割下一個φ300mm的圓板，割完后便出現(xiàn)中凸變形，這是因為邊緣受熱后收縮，相對中部伸長，即常說的中部松邊緣緊。根據(jù)此例可以相應(yīng)的分析：壁板與焊縫有兩條， 一條是圖五所示邊板與外環(huán)板的焊縫①、②縫，一條內(nèi)外環(huán)板之間的焊縫CD縫，若先焊CD縫，再焊①、②縫，這三條焊縫所產(chǎn)生的收縮量全部疊加在整個底板的邊緣上，會收起底板中凸變形，若先①、②縫并自由脹縮全冷后再焊CD縫，此時只的CD一道縫的收縮量時底板產(chǎn)生的中凸變形，因而可最大限度減少變形量。

④由多名焊工均布對稱施焊的基本原理

4.結(jié)論

工程實踐告訴我們，大面積薄板焊接的應(yīng)力和變形的控制必須綜合治理。此工藝經(jīng)實踐證明對薄板焊接的應(yīng)力和變形能有效地控制。但在工程實際的運用中還應(yīng)具體問題具體分析，不斷進行修改，以達到最優(yōu)的效果。