2018压力容器焊接变形的控制与矫正

4354583

　　摘 要：在压力容器生产制造过程中，由于焊接作业时母材局部受热不均匀导致各种焊接变形的发生，通过分析原因，探讨焊接变形控制与矫正的方法，提出相应的措施。
　　关键词：压力容器; 焊接变形;控制;矫正
　　近年来，随着我国工业生产制造的不断发展，焊接技术以其工序简单、操作方便、适用性强等优势已经发展成工业制造特别是压力容器制造的重要技术手段。但是，由于焊接工艺参数选择不合理、组装和施焊的顺序不当，造成母材局部受热不匀，产生了各种焊接变形。焊接变形会降低焊接接头的力学性能和化学性能，也会影响到后续的装配。另外，对过大的焊接残余变形进行矫正，不但增加了制造成本，也降低了产品的焊接质量，影响了工作效率。
　　1 压力容器常见的焊接变形的原因及控制
　　压力容器是指盛装气体或者液体，承载一定压力的密闭设备，贮运容器、反应容器、换热容器和分离容器均属压力容器。压力容器焊接变形的常见种类有管板焊接变形，薄板焊接变形，大直径平焊法兰焊接变形。
　　1.1 管板焊接变形
　　管板的焊接变形常见的形式主要有两种，即拱形变形和波浪变形。其变形的主要原因如下。
　　(1)管板与筒体的坡口角度。管板与筒体的坡口角度及焊缝截面形状对焊接接头的角变形影响很大，坡口角度越大，焊接接头上部和下部横向收缩量差别就越大。因此在保证焊透的前提下，坡口角度应尽量小，当筒体厚度超过16mm，应采用U型坡口。
　　(2)焊接层数。焊接层数越多，角变形越大。层数多，反复施焊相当于对材料进行反复加热与冷却，加剧了变形量。因此，为了控制焊接角变形，焊接层数应越少越好。在保证强度的前提下，也应该尽量减少焊角高度。
　　(3)焊接工艺参数。在能熔透的前提下应尽量采用小电流施焊，避免造成局部过热引起变形。
　　1.2 薄板焊接变形
　　薄板焊接变形按照变形的程度可分为整体变形与局部变形。其中整体变形指焊接作业完成后整个结构的比例与尺寸等参数发生的变形，包括横向变形、纵向变形、弯曲变形和扭曲变形等。局部变形包括波浪变形和角变形。变形因素主要包括焊接工艺参数、断截面大小与焊缝数量及材料的热物理性能。
　　(1)焊接工艺参数。焊接工艺参数包括焊接电流、电弧电压、焊接速度等。一般而言，焊接电流以电压与结构变形度成正比，而与焊接的速度成反比，在焊接时适当控制这三个参数即焊接线能量可以有效预防一定程度的焊接变形。
　　(2)断截面大小与焊接层数。对与薄板，断截面相对较小，因此焊接层数也较少，对焊接变形的影响也小。但是在实际生产制造过程中，往往因为焊接层数少了，焊接电流和电弧电压就会调高，希望一次成型，这样的结果就是产生了严重的焊接变形。
　　(3)材料的热物理性能。热物理性能是材料固有的宏观热学性能，中热扩散率、线膨胀系数对薄板焊接的变形影响最大。同样厚度和形状的碳钢板和不锈钢板，采用相同的焊接工艺参数，焊接后产生的变形，不锈钢板要远大于碳钢板。于热扩散率低，线膨胀系数大的材料，相应的焊接线能量就应取较小的值。
　　1.3 大直径平焊法兰焊接变形
　　大直径平焊法兰焊接变形主要有法兰端面变形、法兰直径变形和与法兰焊接的筒体的变形。大直径平焊法兰焊接变形的原因如下。
　　大直径平焊法兰与筒体焊接时，由于法兰直径大，刚性差，焊道长，焊完一圈需要的时间长。在焊接过程中，焊缝熔合区受热和冷却速度以及焊缝间断的冷却时间间隔太长，造成整个焊缝区受热不均匀，焊缝收缩变形也不均匀，由此产生了焊接变形。焊接采用单面连续焊时，法兰焊接区周向受热部分受到焊缝冷却时环向收缩应力的作用，发生平面变形。同时由于焊缝的环向的焊接收缩量很大，也进一步将变形扩大，形成了不规则的椭圆现象，有内凹，也有外凸。法兰断面的扭转力非常大，足以使筒体也产生相应的变形。本公司在2014年生产制造的一台立式换热容器，焊接完毕后进行了相关尺寸的测量，实测数据比标准要求超出了几倍。
　　2 控制焊接变形的措施及矫正方法分析
　　要防止和减少焊接的变形，克服在冷热循环所造成的影响，则必须采取相应措施，主要的措施有设计措施和工艺措施。
　　2.1 设计措施
　　在设计上首先要选择合理的焊缝形状和尺寸。焊缝形状即坡口的形状，对于相同厚度的平板对接，开V形坡口焊缝的角变形明显大于双V形或双U形坡口焊缝。对于能翻转、有两面施焊条件的结构，宜选用两面对称的坡口形式。在尺寸上，在保证结构有足够的焊接性能的前提下，坡口角度应尽量采用较小的值。
　　2.2 工艺措施
　　控制焊接变形的工艺措施主要有热平衡法、留余量法、散热法等。热平衡法主要用于某些焊缝不对称布置的结构，这种结构焊接后往往会产生弯曲变形。施焊的同时在焊缝对称的位置上采用气体火焰同步加热，只要加热的工艺参数选择适当就可以明显减少完全变形的产生。留余量法就是在下料的时候将零件的尺寸比设计尺寸适当加大，以补偿焊件的收缩，常用于与大尺寸封头对接的不锈钢筒体。散热法是利用各种方法将施焊处的热量迅速散走，减小受热区的焊接变形。此方法经常用于管板的堆焊。在现场焊接作业当中，应综合考虑各种变形，必要时采用组合的方法才能有效控制焊接变形。
　　虽然有各种措施方法来控制焊接变形，但影响的因素太多，有的时候无法面面俱到，无法避免会出现各种变形。当残余的变形超出技术要求时必须采取矫正的方法。常用的矫正方法有冷矫正法和热矫正法。冷矫正分为手工矫正和机械矫正。手工矫正主要用于矫正薄板、薄壁壳体焊件和小型焊件的弯曲变形、角变形和波浪变形等。机械矫正主要是利用机械工具，如千斤顶，拉紧器，液压机等通过机械压力或拉力来矫正焊接变形。热矫正是利用火焰局部加热，使焊接产生反向变形，抵消焊接变形，但要注意加热温度，不能使材料的金相组织发生变化。
　　3 结语
　　焊接的变形是不可避免的，通过相对完善的措施与方法可以得到一定程度的控制，但是实际生产当中会有不可预料的因素。因此，焊接变形的矫正工作也是非常需要的，企业通过深入掌握并灵活运用相关焊接变形的理论，对提高产品质量和生产效率都有相当大的帮助。
　　参考文献：
　　[1]王大闯.薄板结构件焊接变形的控制与矫正方法[J].技术与市场， 2013.