大面積薄板焊接變形的控制

　　論文關(guān)鍵詞：大面積薄板　焊接變形　控制

　　論文摘要：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，也是工程質(zhì)量好環(huán)的關(guān)鍵，因此控制焊接變形是人們十分重視而致力于研究的課題。本文就煤氣柜底板焊接工程的成功經(jīng)驗(yàn)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(jiàn)解，旨在類似工程中借鑒和參考。

　　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)鍵的一個(gè)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(yàn)經(jīng)驗(yàn)告訴我們，焊接工程中的焊接變形和焊后殘余應(yīng)力并不是兩種孤立的現(xiàn)象。兩者之間的聯(lián)系是有機(jī)的，它們同時(shí)存在于同一焊件，相輔相成而又相互制約。大面積薄板焊接焊縫形式主要為對(duì)接和搭接。但這兩種焊縫形式產(chǎn)生的變形基本一樣，出產(chǎn)生橫向收縮和縱向收縮外，如圖一、二所示，還會(huì)產(chǎn)生失穩(wěn)翹曲變形如圖三所示，即常見(jiàn)的薄板焊接后產(chǎn)生的鼓包。

     圖一 焊接橫向收縮                   圖二焊接縱向收縮

圖三 焊接失穩(wěn)翹曲變形

　　在實(shí)際工程中要想獲得最佳的理想狀態(tài)。使三種方式的應(yīng)力和變形合理分布在該結(jié)構(gòu)中，使之相互制約、相互控制，正負(fù)壓力保持在一個(gè)平衡的狀態(tài)下。這一是控制大面積薄板焊接工程中焊接變形的有效途徑。本文一工程中常見(jiàn)的曼型煤氣柜的底板焊接為例進(jìn)行分析。

　　1、以10萬(wàn)立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。底板面積為1586.27m²，焊縫總長(zhǎng)為    。底板由中心板和內(nèi)外環(huán)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。

                         圖四   罐底板焊接布置圖

　　2、技術(shù)難點(diǎn)

　　面積大，板比較薄，內(nèi)外環(huán)板厚度不一致，為厚板與薄板對(duì)接，規(guī)范要求底板的平面度不大于D/500，且不大于60mm。這就要求在施工時(shí)根據(jù)理論與施工經(jīng)驗(yàn)來(lái)制定嚴(yán)格的施工工藝，稍不注意就會(huì)使產(chǎn)生較大的凸起，給后續(xù)施工帶來(lái)很大的麻煩。重新修理難度較大，同時(shí)會(huì)使生產(chǎn)大大地增加。而此問(wèn)題的產(chǎn)生原因歸根到底就是由于焊接工程中由于對(duì)焊接應(yīng)力和變形產(chǎn)生的機(jī)理不了解，不能合理地安排施工工藝而導(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(jī)理原理分析的基礎(chǔ)上產(chǎn)生的，也就是要理論與實(shí)踐要相結(jié)合。

[1]    

　　3、焊接工藝及剖析

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

　　如下圖四所示，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。

圖五 引起焊接應(yīng)力于變形的主要因素及其內(nèi)在聯(lián)系

　　由圖可看出，焊接時(shí)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(guò)因素、制造因素和結(jié)構(gòu)因素所構(gòu)成的內(nèi)拘束度和外拘束度而影響熱源周圍的金屬運(yùn)動(dòng)，最終形成焊接應(yīng)力的變形。從圖可以看出，材料因素主要為材料特性、熱常數(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(qiáng)度σ_s= f（T），σ_s（T）=0的溫度，T_k或稱“力學(xué)熔化溫度”以及相變等），在焊接溫度場(chǎng)中，這些特性呈現(xiàn)出決定熱源周圍金屬運(yùn)動(dòng)的內(nèi)拘束度。制造因素（工藝措施、夾持狀態(tài)）和結(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。隨焊接熱過(guò)程二變化的內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)和構(gòu)件變形，稱為焊接瞬態(tài)應(yīng)力與變化。而焊后，在室溫條件下殘留于構(gòu)件中的內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)和宏觀變化，稱為焊接殘余應(yīng)力與焊接殘余變形。

　　由于焊接應(yīng)力和變形問(wèn)題的復(fù)雜性，在工程實(shí)踐中往往采用試驗(yàn)測(cè)試與理論分析和數(shù)值計(jì)算相結(jié)合的方法來(lái)掌握其規(guī)律，以期能達(dá)到預(yù)測(cè)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(shí)際經(jīng)驗(yàn)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：

　�、�  先焊短焊縫后焊長(zhǎng)焊縫，采取分段退焊，由內(nèi)向外依次進(jìn)行。

　�、�  中心板和內(nèi)環(huán)板之間的焊縫，可由數(shù)名焊工均布對(duì)稱施焊，并可同時(shí)進(jìn)行。

　�、�  內(nèi)環(huán)板與外環(huán)板的搭接焊縫暫時(shí)不焊，留待底層壁板與內(nèi)環(huán)板角焊縫施焊完畢后在進(jìn)行焊接。

　　其防焊接應(yīng)力與變形的主要原理要點(diǎn)是：

　　① 焊接后自由收縮

　�、� 減少焊接區(qū)與整體結(jié)構(gòu)之間的溫差

　�、� 使焊接應(yīng)力盡量減少并均勻布置

　�。�3）工藝措施的具體剖析

　　以圖一為例分析

　　① 先焊短焊縫后焊長(zhǎng)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(zhǎng)條。同理，焊完所有短縫，所有中心板都成為焊接后得到自由收縮、基本無(wú)應(yīng)力的若干長(zhǎng)條。然后再將個(gè)長(zhǎng)條由內(nèi)向外連接起來(lái)，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(zhǎng)縫A、B，則將Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四板皆固定在A、B兩長(zhǎng)縫上，然后再去焊3、4、5短縫，三段縫必收縮，收縮時(shí)卻受到A、B長(zhǎng)縫的限制而不能自由收縮，熱脹時(shí)產(chǎn)生壓應(yīng)力，收縮時(shí)產(chǎn)生拉應(yīng)力，因而存在較大的焊接應(yīng)力，會(huì)產(chǎn)生很大的變形。整個(gè)底板若都這樣焊接或無(wú)次序地焊接，底板會(huì)產(chǎn)生更大的變形，定會(huì)導(dǎo)致底板大量的凸起變形，嚴(yán)重的甚至?xí)��?bào)廢，造成重大的質(zhì)量事故。

   [2]   

　�、� 所有焊縫均采用分段退焊法、由內(nèi)向外依次基本原理

　　a、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，主要時(shí)縮小焊接區(qū)與結(jié)構(gòu)整體之間的溫差，從然減少變形；同時(shí)由于頭尾相接的焊接順序，前一段焊縫剛冷卻下來(lái)，后一段焊縫的熱量就會(huì)給前一段一部分，使其得到一次退火的機(jī)會(huì)，同時(shí)減小了前后的溫差，因而消除應(yīng)力、減少變形。根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，底板的分段退焊，應(yīng)以一根焊條為一個(gè)循環(huán)，一根焊條約焊200mm，這樣要比500mm~600mm一個(gè)循環(huán)變形要小的多。這樣焊的缺點(diǎn)是接頭增加，降低美觀程度，但比變了形再去處理變形要合算的多（連續(xù)焊的接頭少且平滑）。

　　b、由內(nèi)向外依次進(jìn)行的基本原理 如圖中的短縫3、4、5，應(yīng)先焊4縫，然后再焊3或5縫；長(zhǎng)縫A、B，應(yīng)先焊A后焊B。因?yàn)閮砂逑嗪�，焊縫會(huì)產(chǎn)生橫向收縮和縱向收縮，又因內(nèi)部是封閉部位，外部屬自由端（越往外越明顯），由內(nèi)向外可使焊縫的橫、縱焊縫自由收縮；反之，若先焊外，自由端被固定，在焊內(nèi)部時(shí)，焊縫的橫、縱向收縮都會(huì)受到限制，因而產(chǎn)生較大應(yīng)力，從而產(chǎn)生較大變形。

　�、� 底層邊板與外環(huán)板的角焊縫焊完后再焊內(nèi)外環(huán)板之間的對(duì)接焊縫

    在討論此焊接順序原理之前，請(qǐng)看一個(gè)受熱變形的實(shí)例，如圖六所示。

圖六 氣割周邊受熱形成的中凸變形

　　在一張δ=5mm厚的原平板上割下一個(gè)φ300mm的圓板，割完后便出現(xiàn)中凸變形，這是因?yàn)檫吘壥軣岷笫湛s，相對(duì)中部伸長(zhǎng)，即常說(shuō)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，一條是圖一所示邊板與外環(huán)板的焊縫①、②縫，一條時(shí)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(gè)底板的邊緣上，比引起底板的中凸變形；若先焊①、②縫并自由脹縮全冷后再焊CD縫，此時(shí)只有CD一道縫的收縮量時(shí)底板產(chǎn)生中凸變形，因而可最大限度減小變形量。

　�、� 由多名焊工均布對(duì)稱施焊的基本原理

　　在探討此原理之前，請(qǐng)看圖七，由于不對(duì)稱受熱而引起變形，長(zhǎng)條板不對(duì)稱受熱而引起變形。在底板的焊接中也要由多名焊工均布對(duì)稱施焊，這樣可以防止由于不對(duì)稱受熱引起偏心力而引起變形，若對(duì)稱受熱，即使有應(yīng)力存在，也不會(huì)引起變形，且越往外越明顯，這是因?yàn)閮蓚?cè)的應(yīng)力相等而又有足夠的寬度，不會(huì)使中心板產(chǎn)生彎曲。

圖七 鋼板不對(duì)稱受熱產(chǎn)生的變形

　　4、結(jié)論

　　工程實(shí)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(shí)踐證明對(duì)薄板焊接的應(yīng)力和變形能有效地控制。但在工程實(shí)際的運(yùn)用中還應(yīng)具體問(wèn)題具體分析，不斷地進(jìn)行修改，以達(dá)到最優(yōu)的效果。

參考文獻(xiàn)

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