浅谈容器焊接变形的预防措施

摘要: 在容器焊接完毕后,往往因存在焊接残余应力而导致焊件变形。针对出现的收缩变形、角变形、弯曲变形、扭曲变形和波浪变形,本文阐述了其产生的原因,并提出了相应的预防和矫正措施。

Abstract: After welding, containers often appear welding deformation by welding residual stress. According to the contraction deformation, angular distortion, the bending deformation, distortion and wave deformation, this paper expounds the reasons, and puts forward some corresponding preventive and corrective measures.

关键词: 变形;原因分析;预防措施;矫正措施

Key words: deformation;reason analysis;preventive measures;corrective actions

中图分类号:TG4文献标识码:A文章编号:1006-4311(2010)22-0128-02

1现象

焊接过程中,焊件产生的变形称为焊接变形。焊后,焊件残留的变形称为焊接残余应力变形。焊接残余应力变形有收缩变形、角变形、弯曲变形、扭曲变形和波浪变形等六种形式, 见图1,其中焊缝的纵向收缩变形和横向收缩变形是基本的变形形式,在不同的焊件上,由于焊缝的数量和位置分布不同,这两种变形又可表现为其他几种不同形式的变形。

2原因分析

焊件在焊接过程中,不均匀的局部加热是产生焊接内外应力与变形的最根本的原因。焊接后的构件在焊缝及热影响区的金属均收缩,这就导致焊接过程中发生各种变形。归纳起来,焊件在各种条件下发生变形的原因如下:

2.1 焊件不均匀受热和冷却。

2.2 焊缝金属熔化时的热胀,冷却时熔体凝固的收缩。

2.3 材料产生塑性变形后发生再结晶引起金属内部结构组织不均匀的改变。

2.4 两个对接焊件厚度相差太大,使厚度、重量和刚性不等,引起不均匀收缩,并同时产生较大的应力。

2.5 焊接时采用不合理的焊接程序和焊接规范等也会引起系列变形。

2.5.1 焊件纵、横向缩短:由焊缝的纵向和横向焊缝长度方向上产生的收缩变形引起的(图1-a)。

2.5.2 焊件角变形:在焊接时,由焊件的焊缝上下面的横向不均匀收缩引起的回转变形(图1-b)。

2.5.3 弯曲变形:结构焊缝布置不匀称使焊缝的纵向缩短,同时焊件受热均匀程度、焊件置放位置及本身刚度强、弱与外力作用等,均与产生弯曲变形有关(图1-c)。

2.5.4 波浪变形:主要反映在薄壁结构容器中,由焊接焊缝纵向缩短对其边缘产生压应力引起的,更主要是焊接变形外应力大于金属的内应力引起;另一种原因是焊缝横向缩短同时形成压力,又造成角变形。在不规则的波浪变形和角变形的同时,也会产生扭曲变形(图1-d)。

2.5.5 扭曲变形:造成扭曲变形因素很多,如拼装、组装质量不好,工艺不当,焊件放置位置、焊接顺序和受热程度等,均使焊件产生不同方向的交错扭曲变形(图1-e)。

3预防措施

预防容器焊接变形的具体措施,应从设计到加工制造的逐道工序来防止变形。

3.1 设计上应根据容器的结构特点选择焊接性能好的金属材料,在材料规格、尺寸允许的条件下尽量减少焊接焊缝,并把结构焊缝以轴心对称安排, 可以防止或减少应力变形。

3.2 制造工艺中,号料前在排版图时, 应根据设计意图要求进行安排结构排版图。使材料有效面积达到要求时尽量减少焊缝,同时安排结构焊缝位置时,在保证对称等距前提下,应将焊缝放在结构最短处,以达到焊接时受热均匀,避免热量集中,可减少焊接应力导致变形。

3.3 容器加工板材发现变形时,应进行矫正,以避免材料在未施工前产生变形及应力。如果变形及应力的缺陷不消除,后道工序便会增加累计变形。

3.4 拼装、组焊时,应保证焊件放置的支承面的支承力达到稳定,以防止自重压力加焊件受热时,强度较低产生塑性变形。一般在组焊时应按下述措施防止变形:

3.4.1 如果容器结构属于塑性较好的低碳钢和低合金钢时,在焊前可用工具进行加固,以增强焊件刚性,可防止焊件由高温到冷却产生的收缩变形, 由加固工具来强制阻变。这种方法只能对一些低碳钢的结构容器,对机械性能影响不大;不适宜用高强度钢板结构的焊接防变形,因限制变形,则会增加应力,易产生裂纹等缺陷(见图2)。

3.4.2 容器壁在成圆前的平板焊接时,通过反变形可以防止变形。反变形是根据经验或试焊法的验证,判断焊件焊后冷却收缩时所发生的变形方向和变形量大小,在焊前对焊件给予焊接变形相反变形的预消变形量,可防止焊后变形。例如,为了防止对接接头产生的角变形,可以预先将对接处垫高,形成反向角变形见图3a。在薄壳结构上,有时需在壳体上焊接支承座之类的零件,焊后壳体往往发生塌陷,为此,可以在焊前将支承座周围的壳壁向外顶出,然后再进行焊接见图3b。

3.4.3 采取正确的焊接顺序可防止变形。一般做法是:若干名焊工沿容器的纵缝均匀地布置或沿一环缝的周长等距分布,一起同时施焊,以使焊件受热、冷却保持均匀,这样可以减少焊接造成的应力和变形(见图4)。

4矫正措施

4.1 机械矫正利用手工锤击或机械压力矫正焊接残余变形的方法叫机械矫正法。

4.1.1 手工锤击矫正薄板波浪变形的方法,见图5。图5a表示薄板原始的变形情况,锤击时锤击部位不能是突起的地方,这样结果只能朝反方向突出,见图5b;接着又要锤击反面,结果不仅不能矫平,反而要增加变形。正确的方法是锤击突起部分四周的金属,使之产生塑性伸长,并沿半径方向由里向外锤击,见图5c,或者沿着突起部分四周逐渐向里锤击,见图5d。

4.1.2 利用机械力矫正焊接残余变形的方法,见图6。它是利用圆盘形辗轮辗压薄板焊缝及其两侧,使之伸长来消除薄板焊后的残余变形。

手工锤击矫形劳动强度大,技术难度高,但无须设备,适用于薄板的焊后矫形。机械矫正效率高、速度快、效果好,但须要加压机构等设备,适用于中、大型焊件焊后的矫形。

4.2 火焰矫正利用火焰对焊件进行局部加热时产生的塑性变形,使较长的金属在冷却后收缩,以达到矫正变形的目的称火焰加热矫正法。火焰加热矫正法矫正焊件残余变形时要注意以下事项:

4.2.1 加热用火焰通常采用氧乙炔焰, 火焰性质为中性焰,如果要求加热深度小时,可采用氧化焰。

4.2.2 对于低碳钢和低合金结构钢,加热温度为600℃~800℃,此时焊件呈樱红色。

4.2.3 火焰加热的方式有点状、线状和三角形三种,其中三角形加热适用于厚度大、刚性强的焊件。

4.2.4 加热部位应该是焊件变形的突出处,不能是凹处,否则变形将越矫越严重。

4.2.5 矫正薄板结构的变形时,为了提高矫正效果,可以在火焰加热的同时用水急冷,这种方法称为水火矫正法。但对于厚度较大而又比较重要的构件或者淬硬倾向较大的钢材,不可采用水火矫正法。

4.2.6 夏天室外矫正,应考虑到日照的影响。因为中午和清晨的加热效果往往不一样。

4.2.7 薄板变形的火焰矫正过程中,可同时使用木锤进行锤击,以加速矫正效果。

5结束语

通过以上的措施,我们制造单位产品的合格率达到了100%。对于今后的容器制造我们将继续延续这种方法, 用科学管理模式,精益求精做到经济效益和社会效益双赢。