焊接论文

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大面积薄板焊接变形的控制

论文关键词：大面积薄板焊接变形控制

论文摘要：在大面积薄板焊接工程中，焊接变形量的大小是衡量该工程成功与否的重要标志，与是工程质量好坏的关键，因此控制焊接变形是人们在十分重视而致力开研究的课题。本文就煤气柜底板焊接工程的成功经验和失败教训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。

如何控制焊接应力和变形到最小是大面积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。试验经验告诉我们，焊接工程中的焊接变形和焊合残余应力并不是两种孤立的现象。两者之间的联系是有机的，它们岂不是存在于同一焊件，相辅相成而相与制约。大面积薄板焊接焊缝形式主要为对接的搭接。但这两种焊缝形式产生的变形基本一样，除产生横向收缩外，如图一、二所示，还会产生失稳翘曲变形如图三所示，即常见的薄板焊接后产生的鼓包。

在实际工程中要想获得理想状态，使三种方式的应力和变形合理分布在该结构中，使之相与制约、相与控制，正负压力保持在一个平衡的状态下。这一指导是控制大面积薄板焊接工程中焊接变形的有效途径。本文以工程中常见的曼型煤气柜的底板焊接为例进行分析。

1、以10万立方曼型煤气柜的底板为例

煤气柜底板焊接工程是十分典型的大面积薄板焊接工程。底板面积为1586.27m2，焊缝总长为。底板由中心板和内板组成。中心板和内环板为δ=5mm厚钢板组成，外环板为δ=8mm钢板组成。钢板材质均为Q235B。底板的结构形式如图四所示。

2、技术难点

面积大，板比较薄，内处环板厚度不一致，为厚板与薄板对接，规范要求底板的平面度不在于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，现时会使生产成本大大的增加。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，不能合理的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因分析的基础上产生的，现就是要理论与实践要相结合。

3、焊接工艺剖析

（1）分析焊接应力和变形产生的机理、影响因素及其内在联系。如下图五所示，给出了引起焊接应力和变形的主要因素及其内在联系

由图可看出，焊接时局部不均匀的热输入是产生焊接应力与变形的决定因素。而热输入是通过材料因素、制造因素和结构因素所构成的内拘束度和外拘束度南而影响热源周围的金属运动，最终形成焊接应力的变形。从图可以看出，材料因缘主要为材料特性、热物理常数及力学性能（热膨胀系数α=f（t），弹性模量E=f（T），屈服强度σs=f （T），σs（T）=0的温度，TK或称“力学熔化温度”以及相变等），焊接温度场中，这些特性呈现出决定热源周围金属运动的内拘束度。

制造因素（工艺措施、支持状态）的结构因素（构件形状、厚度及刚性等）则更多地影响着热源金属的外拘束度。而焊后，在室温条件下残留于构件中有内力和宏观变化，称为焊残余应力与焊接残余变形。由于焊接应力和变形的复杂性，在工程实践中往往何用试验与理论分析和数值计算相结合的方法来掌握其规律，以期能达到预测控制和调整焊接应力与变形的目的。

（2）工艺措施及剖析

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再进行焊接。

其防焊接应力与变形的主要原理要点：

①焊接后自由收缩；

②减少焊接区与整体结构之间的瘟差；

③使焊接应力尽量减少并均匀布置。

（3）工艺措施的具体剖析

以图四为例分析

①先焊短焊缝后长焊缝的基本原理

如图中的中心板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，所有中收板都焊接后得到自由收缩、基本无应力的若干长条。然后再将各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两条长缝上，然后再去焊3、4、5短缝，三段缝必收缩，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，琮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，由内向外依次进行的基本原理

a、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，主要是缩小焊区与结构整体之间的温度差，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，同时减少了前后的温差，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一个循环变形要小得多。这样焊接的缺点是接点增加，降低美观程度，但比变了形再去处理变形要合算得多（连接焊的接着少且平滑）。

b、由内向外依次进行的基本原理如图中的短缝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；反之收缩都会受到限制，因而产生较大应力，从而产生较大变形。

底层边板与外板的角焊缝焊完后再焊内外环板之间的焊缝在讨论此焊接顺序原理之前，请看一个受热变形的实例，如图六所示

在一张δ=5mm厚的原平板上割下一个φ300mm的圆板，割完后便出现中凸变形，这是因为边缘受热后收缩，相对中部伸长，即常