焊接殘余變形的火焰矯正工藝研究

王世達(dá)，程尚華，賈曉燕

蓬萊巨濤海洋工程重工有限公司 山東蓬萊 265607

1 序言

焊接過程是一個局部不均勻加熱及冷卻的過程，由于存在不均勻的溫度場，構(gòu)件中會產(chǎn)生熱應(yīng)力，從而由此產(chǎn)生殘余塑性變形和殘余應(yīng)力，引起結(jié)構(gòu)的變形。變形會影響到構(gòu)件的剛度、強(qiáng)度及穩(wěn)定性等，使得結(jié)構(gòu)的承載力降低。當(dāng)構(gòu)件焊接后出現(xiàn)變形時，應(yīng)進(jìn)行矯正。焊接殘余變形的矯正可通過兩種方式進(jìn)行：機(jī)械方式、加熱方式?；鹧娉C正是常見的一種通過加熱方式實現(xiàn)構(gòu)件矯正的方法，火焰矯正時，材料的受熱區(qū)域會經(jīng)歷相應(yīng)的熱循環(huán)，如果溫度控制不當(dāng)，必然影響到材料的性能。

在公司承建的用鋼總量達(dá)10萬t的LNG處理模塊的建造中，有大量構(gòu)件的焊接預(yù)制，盡管在焊前和焊接中采取了控制焊后尺寸的工藝措施，但很多構(gòu)件在焊后仍出現(xiàn)了尺寸不滿足要求的情況，為達(dá)到尺寸要求，必須進(jìn)行矯正。對于尺寸不符合要求構(gòu)件的矯正，根據(jù)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)形式，項目中采用了兩種方式：機(jī)械矯正、火焰矯正。其中，機(jī)械矯正主要是用于板厚較小的H型鋼，而火焰矯正在多種形式、各種厚度的構(gòu)件中都有應(yīng)用。為確認(rèn)進(jìn)行火焰矯正后母材性能仍能夠達(dá)到要求，進(jìn)行了熱矯正試驗。

2 母材及熱矯正試驗件的焊接

熱矯正試驗使用材質(zhì)為S355NL的正火鋼板及S355ML的TMCP板分別進(jìn)行，厚度均為40mm。并分別與其材質(zhì)相同但厚度為30mm的板組成T形接頭（見圖1），坡口為45°的不對稱雙面單邊V形。40mm試板的力學(xué)性能要求及化學(xué)成分分別見表1、表2。

圖1 坡口尺寸及組對形式

采用產(chǎn)品建造中使用的焊接工藝進(jìn)行T形接頭的焊接。焊接方法為FCAW-G。焊接順序為：A側(cè)焊至填充完成后，進(jìn)行B側(cè)氣刨清根，清理后進(jìn)行焊接直至完成蓋面焊接，然后再完成A側(cè)的蓋面焊接。焊接過程中不采取任何諸如使用拉筋等限制變形的輔助措施。焊接完成后，翼板產(chǎn)生了角變形。

表1 試板的力學(xué)性能要求

表2 試板的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

3 火焰矯正工藝及試板的矯正

3.1 火焰矯正工藝分析

火焰矯正效果的影響因素主要有加熱的最高溫度，加熱的速度，加熱區(qū)的大小、形狀、位置，以及冷卻速度等。

對于加熱最高溫度的確定需綜合考慮以下兩方面：

（1）材料產(chǎn)生塑性變形的力學(xué)條件為材料所受的力超過其屈服強(qiáng)度 為實現(xiàn)火焰矯正的目的，必須使已產(chǎn)生變形構(gòu)件的局部內(nèi)部熱應(yīng)力大于其屈服強(qiáng)度。大多數(shù)韌性材料在單向壓縮時，其σ-ε曲線與單向拉伸時具有相同的彈性模量和屈服應(yīng)力[1]，從而可以通過拉伸時的屈服強(qiáng)度判斷材料在壓縮時的屈服強(qiáng)度。低合金高強(qiáng)鋼的高溫拉伸性能如圖2所示[2]。在圖2中可以看出，抗拉強(qiáng)度500MPa鋼的屈服強(qiáng)度隨著溫度的升高而降低，溫度達(dá)到700℃時，屈服強(qiáng)度已不足100MPa，降低量明顯。而同時根據(jù)溫度應(yīng)力公式可知，當(dāng)局部溫度提高，構(gòu)件整體的溫差變大時，構(gòu)件內(nèi)部的熱應(yīng)力增大。

圖2 低合金高強(qiáng)鋼的高溫拉伸性能

因此溫度升高，在增大內(nèi)應(yīng)力的同時，會降低材料的屈服強(qiáng)度，所以火焰矯正中，加熱溫度越高，變形量會越大，對變形構(gòu)件而言即為矯正量越大。

（2）材料不應(yīng)出現(xiàn)不利的相變 火焰矯正中加熱的最高溫度應(yīng)足夠高以實現(xiàn)好的矯正效果，同時，為保證材料的組織不發(fā)生改變，加熱的最高溫度應(yīng)嚴(yán)格限制在材料的下臨界點溫度以下，為確保這一點，負(fù)責(zé)加熱的工作人員需配備溫度監(jiān)控器具。

對于材料的熱矯正，加熱速度越高，材料受熱的不均勻程度越高，從而變形量越大。為保證合理的加熱速度，一般加熱區(qū)域超過30mm的需增加熱源數(shù)量。

加熱區(qū)越大，材料產(chǎn)生變形的區(qū)域越大，構(gòu)件的矯正量越大。對于加熱區(qū)大小的控制，需考慮避免加熱區(qū)過大造成冷縮后變形幅度過大，從而導(dǎo)致矯正了原變形后又產(chǎn)生負(fù)變形，以及加熱區(qū)過小導(dǎo)致收縮幅度不夠而達(dá)不到矯正目的。

在實際建造中，焊接殘余變形導(dǎo)致的構(gòu)件出現(xiàn)的變形多種多樣，加熱區(qū)的形狀必須根據(jù)構(gòu)件的變形進(jìn)行確認(rèn)?；鹧娉C正是通過使構(gòu)件產(chǎn)生與原變形方向相反的收縮變形，來抵消原變形，實現(xiàn)構(gòu)件尺寸的矯正，所以火焰矯正中加熱位置（亦即變形位置）的選取應(yīng)充分考慮焊接殘余變形的幾何特點，確保變形間的抵消效果。并配合加熱區(qū)的不同形狀，達(dá)到期望的矯正效果。另外，雖然冷卻速度越快，矯正效果越好，但由于過快的冷卻速度可能會導(dǎo)致產(chǎn)生額外的熱應(yīng)力或不利組織，所以，某些材料火焰矯正中的冷卻速度需進(jìn)行限制，一般通過規(guī)定冷卻介質(zhì)來進(jìn)行規(guī)定。

3.2 試板的矯正

根據(jù)相變溫度計算公式，可以求出試驗用材料的相變溫度A1分別為724℃（S355NL）、720℃（S355ML），亦即本次火焰矯正試驗中最高溫度應(yīng)不超過上述溫度值，實際試驗中加熱區(qū)域達(dá)到的最高溫度為700℃，加熱寬度80mm（見圖3），加熱后空冷至室溫。

圖3 加熱區(qū)域

4 性能試驗

T形接頭熱矯正完成后，試驗件冷卻至室溫，對火焰矯正中受熱的試板進(jìn)行磁粉檢測和超聲波檢測，未發(fā)現(xiàn)缺陷，確認(rèn)火焰矯正過程未影響母材的連續(xù)性。首先室溫下，在進(jìn)行過火焰加熱的試板表面進(jìn)行顯微維氏硬度測試，試驗結(jié)果見表3。

表3 硬度試驗結(jié)果 （HV）

然后在試板火焰矯正時的烤火部位取拉伸、沖擊試樣進(jìn)行試驗，取樣位置從距母材受熱表面2mm的位置開始，試驗結(jié)果見表4。

表4 力學(xué)性能試驗結(jié)果

通過以上試驗，可以看出，采用該火焰矯正工藝對出現(xiàn)焊接殘余變形的構(gòu)件進(jìn)行矯正后，母材的性能依然完全符合要求。

5 熱矯正工藝的實際應(yīng)用

一項目中節(jié)點的結(jié)構(gòu)形式為管與板的組合，管與板之間垂直或成一定角度，管的端部開單面坡口，與板表面形成焊接坡口進(jìn)行焊接。焊后由于板只是靠近邊緣的一條環(huán)形區(qū)域被焊接，導(dǎo)致板出現(xiàn)中心上凸（較?。⑦吘壋霈F(xiàn)較明顯的偏向焊接側(cè)的變形，為滿足項目的要求，需對板進(jìn)行矯正。

對于板件，以焊縫為分界可分為兩個區(qū)域：內(nèi)部變形受限區(qū)、邊緣可自由變形區(qū)。內(nèi)部變形受限區(qū)由于空間位置的限制，只能在變形側(cè)加熱，為使上凸的板趨于平整，需對遠(yuǎn)離焊道的區(qū)域（板中心）進(jìn)行加熱，為增大可調(diào)整區(qū)域，采用星形加熱；邊緣可自由變形區(qū)在變形方向的背面采用條帶狀進(jìn)行加熱。通過對上述兩個區(qū)域的加熱，實現(xiàn)了對板變形的矯正（見圖4）。

圖4 節(jié)點的火焰矯正

6 結(jié)束語

本文通過力學(xué)性能試驗驗證了火焰矯正后母材的性能完全滿足要求?；鹧娉C正工藝中需重點控制的是母材的加熱溫度，確保在保證母材性能的基礎(chǔ)上實現(xiàn)變形的矯正。對于S355NL/ML材料的火焰矯正溫度限制在700℃以下是可保證材料的性能滿足要求的，但在實際產(chǎn)品建造中還需充分查閱項目文件資料，確?；鹧娉C正時所控制的溫度符合項目要求。

本次試驗結(jié)果獲得了項目各方的認(rèn)可，在項目建造中，通過采用不同火焰矯正的加熱區(qū)形狀，進(jìn)行了各種焊后變形構(gòu)件的矯正，為項目的高效推進(jìn)提供了有力保障。