一种封头多支柱焊接防变形工装的研究与应用

摘 要：文章介绍了一种封头多支柱焊接防变形工装，通过刚性固定、精确定位、反变形措施，有效减小了支柱的焊接变形，保证了支柱的焊接质量，同时也减轻了装配难度。

关键词：封头多支柱；防变形；刚性固定；反变形

引言

立式压力容器与地面的固定支座形式主要有腿式支座、耳式支座、支承式支座及裙座。支座与容器均采用焊接形式连接，装焊过程容易变形。图1所示为该厂生产的某种立式容器设备局部示意结构，其整体主要由上封头、筒体、下封头组成；下封头有多用于现场安装固定的支柱组件，该支柱组件由支柱和底板焊接而成。

因其焊接技术要求高，特别是安全级别要求更高，故对其装配、焊接质量要求较高[3]。装焊时支柱组件轴线与封头轴线平行，均布在以封头轴线为中心的约Φ3600mm的圆周上，各支柱组件相对封头四中心线的位置度为Φ5.1mm，装焊成形后底板需在同一高度。然而，支柱组件与封头相焊一端的坡口形式属于变角度异形坡口，焊接量大且各个支柱焊缝形式不对称，焊接时极易因为变形而达不到产品的技术要求。文章针对此种封头多支柱焊接结构的装焊工艺及防变形工装进行了研究。

1 支柱加工、装焊方案分析

由于焊接过程中焊件受热往往不均匀，被焊金属各部分受热时的膨胀与冷却时的收缩情况也不相同，导致焊件不均匀不均匀的膨胀与收缩，从而使焊件内部产生焊接应力而引起焊接变形。而本支柱与封头间的焊接坡口各向均不相同，必然导致支柱焊缝各处收缩不均，从而使立柱发生变形。

同时考虑到支柱是直接焊在封头球面上，单个装配、焊接很难保证各支柱的位置度和一致性，故必须采用的装焊工艺为：将各支柱联成一整体进行坡口加工及装焊。因此必须设计一种防变形工装来实现上述工艺。

2 防变形工装结构、特点

2.1 防变形工装结构

为实现支柱同时装配、焊接的需求，我们设计了防变形工装，如图2。其主体结构自下而上由固定环构件、定位销、螺栓、V形板、半环组成。

固定环构件为环状八角形，是整个防变形工装的基础。其主体由厚钢板拼焊而成，保证在使用过程中具有很好的刚性，同时，其上、下表面经机加工而成，使各支柱组件具有同一基础平面。构件上等分加工有销孔和螺纹孔，用于对支柱组件进行中心定位及把紧。在每处销孔及螺纹孔处外侧附近焊有箱形台面，台面高度略低于支柱坡口最低位置。

定位销实现对支柱进行中心定位。定位销直径与固定环构件上定位销孔和底板上孔进行配加工，保证其定位精确。

V形板为一端带V形缺口的方板，V形缺口为支柱上部的定位基准，V形缺口两侧的板侧面各加工有螺纹孔，用于连接半环，以对支柱上部进行紧固。V形板与固定环构件的凸起台面进行连接固定。

半环为半圆环状，圆环内径与支柱外径相配。半环两端部设置两小直段，并加工有通孔，通过通孔可将半环与V形板用螺栓进行连接，以达到将支柱进行固定作用。

使用时，各支柱组件底面均落在固定环构件上机加表面，底板上的中心孔通过定位销与固定环构件进行配合定位，用螺栓穿过底板上4个通孔将支柱底板与固定环构件进行拧紧；V形板与半环套在支柱上部外圆后也通过螺栓连接并拧紧，即将支柱上部固定后V形板与固定环构件的箱形台面也通过螺栓进行固定，此时支柱组件的下部和上部均已固定，即各支柱已通过防变形工装固定成一个刚性整体。此时将已固定成一个整体的支柱组件进行端部圆弧面车加工即可保证各支柱组件的加工尺寸完全一致；同时也可将各支柱组件作为一个整体与封头进行对接焊，保证各支柱装配尺寸、焊接变形情况完全相同。

2.2 防变形工装特点

2.2.1 较高的定位精度。为了保证各支柱组件从装配直至焊接完成后都能保持比较高的位置精度，防变形工装本身须有比产品要求更高的定位精度。为此，采取的措施有：利用高精度机床加工固定环构件上的定位销孔，保证销孔定位精度；提高支柱底板中心孔和定位销的尺寸公差，保证定位销与固定环构件、支柱底板中心孔配合精度。同时此种销孔配合的定位方式也大大减轻了装配工艺难度。

2.2.2 整体刚性固定。各支柱分布尺寸大，同时焊接量大且不对称导致变形量大，要想整体装配同时防止支柱焊接变形过大，必须保证工装的整体刚性。为此，我们使用较厚钢板制做固定环构件，并加宽环板宽度，如若有必要，固定环构件的环形结构也可设计为箱形结构；同时，支柱组件应对其上、下部同时进行固定，即对其底板进行固定的同时，利用V形板及半环对其上部也进行固定。

2.2.3 采取反变形措施。根据对支柱组件的焊接变形趋势进行分析及实际焊接变形经验，支柱组件焊接完成后，各支柱底板端均向封头轴线方向有变形。据此，支柱组件实际装配分布圆位置比理论位置稍向外偏移。

3 工装的应用效果

通过此防变形工装，将各支柱组件固定为一刚性整体，在立车上可一次性将各支柱组件与封头端相配的圆弧面均加工出来，加工效率高，同时圆弧面坡口尺寸一致性好；坡口加工后将各支柱组件同时装配在封头上进行焊接，大大减轻了装配难度，同时保证了装配精度，焊接过程各支柱间刚性连接，焊接变形可通过相互间制约而达到减小目的。

4 结束语

此防变形工装结构简单，使用方便，既具备精确装配定位功能，又起到防变形效果。通过刚性固定、定位销精确定位、反变形等措施，有效解决了封头多支柱焊接的防变形要求，同时减轻装配难度，提高了装配精度，同时也为变角度异形坡口焊接结构提供可借鉴经验。

参考文献

[1]中国机械工程学会焊接学会.焊接手册，第1卷焊接方法与设备（第3版）[M].北京：机械工业出版社，2007.

[2]曾晓线，向凯，等.焊接应力和焊接变形控制[J].石油化工设备，2009，3.

[3]杨顺田，彭美武.核电结构件焊接工艺与防变形[J].焊接技术，2012，7.

作者简介：王永明（1986-），男，河北省秦皇岛人，本科，哈电集团（秦皇岛）重型装备有限公司，助理工程师，主要从事核电设备及压力容器制造工艺开发。