薄板焊接变形控制方法探讨

时间:2022-09-24 03:13:44

薄板焊接变形控制方法探讨

摘要:工程中经常会遇到薄板焊接问题.焊接是一个热加工过程,其主要引起的问题是变性问题,变形会严重影响工程的安全可靠性。因此控制焊接变形越来越受到人们重视,也是一直致力研究的课题,。本文就高炉煤气柜底板焊接工程为例,阐述控制薄板焊接变形的一些行之有效的方法及一些初浅的见解,旨在类似工程中借鉴和参考 。

关键词:薄板焊接焊接形变控制措施

1、前言

焊接加工是一种常见的金属间原子结合的连接方法,是现有工程建设中不可或缺的连接技术。如何控制焊接应力、变形到最小及热影响面积是薄板焊接中最关键的环节。控制大面积薄板焊接工程的焊接变形不能单一行事,而应综合治理。我们知道,焊接工程中的变形与焊后应力是并存的,两者之间的有着紧密联系。根据先前试验,变形与残余应力它们同时存在于同一焊件,相辅相成而又相互制约,为了很好地控制其变形与残余应力大小,我们进行了大量的试验与研究,以下以煤气柜地板为例阐述一些控制薄板焊接工程中控制焊接变形的有效方法。

2、高炉煤气柜的底板介绍

煤气柜底板焊接工程是十分典型的大面积薄板焊接工程高炉煤气柜底板结构包括两个部分:一为中心板,二为边环板圈,如图1;边环板由8块70mm的钢板(通常厚度δ=8mm)通过径向焊接连成;中心板7块25mm厚钢板拼接而成。

图1 高炉煤气柜底板结构 (a边环板圈b中心板)

图2 高炉煤气柜底板焊接分区图

3、技术难点

面积大,板比较薄,内外环板厚度不一致,为厚板与薄板对接,规范要求底板的平面度不大于D/500,且不大于60mm。这就要求在施工时根据理论与施工经验来制定严格的施工工艺,稍不注意就会使产生较大的凸起,给后续施工带来很大的麻烦。重新修理难度较大,同时会使生产成本大大地增加。而此问题的产生原因归根到底就是由于焊接工程中由于对焊接应力和变形产生的机理不了解,不能合理地安排施工工艺而导致的结果。因此,合理的施工工艺安排,是在掌握其产生机理原理分析的基础上产生的,也就是要理论与实践要相结合。

4、焊接工艺及剖析

对高炉煤气柜底板焊接主导思想是在尽可能产生小的变形及残余应力下实现安全可靠连接。通常,对煤气柜底板焊接工艺主要有两种,一为S/V推荐工艺(称日方工艺),二为通过双方协商,在S/V推荐工艺基础上改进后工艺(称中方工艺),两种工艺比较见表1。

表1煤气柜底板焊接工艺及技术要求对照表

2 按中方工艺1号板柜或全部成功,变形得到较好控制。

8焊接顺序:

(1) 外焊缝同立柱焊接

(2) 内焊缝焊接

(3) 纵缝焊接

(4) 最后连接中心区 焊接顺序:

(1) 先焊纵缝

(2) 再焊内环缝

(3) 连接中心区

(4) 最后外环缝及立柱连接

4.1 中心区域焊接

(1)在地板铺设的同时,全部搭接焊缝进行点焊,使之成为一个整体;

(2)将中心区分为若干小区块,按顺序进行编号,同时对每个小区块的焊缝按顺序也进行编号,施工时按编号顺序进行焊接;

(3)全部焊缝以中心区向四周推进。

根据相关资料表明,减小焊接变形必然增加焊后残余应力,通常,减少焊接变形的主要措施是给焊件外加一个约束装置,使之变形减小,但结果导致焊件中增加了约束力,从而,焊后残余应力增大。

根据多年的实际经验和理论分析结果,不管哪种形式的底板,在焊接工艺上采取的工艺措施大致相同,其主要措施有:

①先焊短焊缝后焊长焊缝,采取分段退焊,由内向外依次进行。

②中心板和内环板之间的焊缝,可由数名焊工均布对称施焊,并可同时进行。

③内环板与外环板的搭接焊缝暂时不焊,留待底层壁板与内环板角焊缝施焊完毕后在进行焊接。

其防焊接应力与变形的主要原理要点是:

① 焊接后自由收缩

② 减少焊接区与整体结构之间的温差

③ 使焊接应力尽量减少并均匀布置

4.2 工艺措施的具体剖析

(1)先焊短焊缝后焊长焊缝的基本原理

如图中2的中心板3、4、5短缝,将其由内向外焊接为一体,可自由收缩为一整体长条。同理,焊完所有短缝,所有中心板都成为焊接后得到自由收缩、基本无应力的若干长条。然后再将个长条由内向外连接起来,也属于在自由收缩状态下成型,这样焊接应力很小,变形也很小。

反之,若先焊长缝A、B,则将Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四板皆固定在A、B两长缝上,然后再去焊3、4、5短缝,三段焊缝必然收缩,收缩时却受到A、B长缝的限制而不能自由收缩,热胀时产生压应力,收缩时产生拉应力,因而存在较大的焊接应力,会产生很大的变形。整个底板若都这样焊接或无次序地焊接,底板会产生更大的变形,定会导致底板大量的凸起变形,严重的甚至会报废,造成重大的质量事故。

(2)所有焊缝均采用分段退焊法、由内向外依次基本原理

分段退焊基本原理分段退焊的原理与间歇焊和减少焊接线能量的原理基本是一样的,主要时缩小焊接区与结构整体之间的温差,从然减少变形;同时由于头尾相接的焊接顺序,前一段焊缝刚冷却下来,后一段焊缝的热量就会给前一段一部分,使其得到一次退火的机会,同时减小了前后的温差,因而消除应力、减少变形。根据实践经验,底板的分段退(中国论文联盟www.省略整理)焊,应以一根焊条为一个循环,一根焊条约焊200mm,这样要比500mm~600mm一个循环变形要小的多。这样焊的缺点是接头增加,降低美观程度,但比变了形再去处理变形要合算的多(连续焊的接头少且平滑)。

由内向外依次进行的基本原理 如图2中的短缝3、4、5,应先焊4缝,然后再焊3或5缝;长缝A、B,应先焊A后焊B。因为两板相焊,焊缝会产生横向收缩和纵向收缩,又因内部是封闭部位,外部属自由端(越往外越明显),由内向外可使焊缝的横、纵焊缝自由收缩;反之,若先焊外,自由端被固定,在焊内部时,焊缝的横、纵向收缩都会受到限制,因而产生较大应力,从而产生较大变形。

(3)由多名焊工均布对称施焊的基本原理

焊接过程中,由于不对称受热而引起变形,长条板不对称受热而引起变形均会严重影响焊接工件的使用。在底板的焊接中也要由多名焊工均布对称施焊,这样可以防止由于不对称受热引起偏心力而引起变形,若对称受热,即使有应力存在,也不会引起变形,且越往外越明显,这是因为两侧的应力相等而又有足够的宽度,不会使中心板产生弯曲。

5、结论

工程实践告诉我们,控制薄板焊接的应力和变形必须统一考虑,中方工艺在焊接高炉煤气柜底板焊接中有效地控制了变形和残余应力,实现了可靠连接。在工程实际操作中,我们应该具体问题具体分析,不断地改进焊接工艺及方案,以达到更好的效果。

注:文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。

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