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大面積薄板焊接變形的控制
論文關鍵詞：大面積薄板 焊接變形 控制
論文摘要：在大面積薄板焊接工程中．焊接變形量的大小是衡量該工程成功與否的重要標志，也是工程質量好環的關鍵，因此控制焊接變形是人們十分重視而致力于研究的課題。本文就煤氣柜底板焊接工程的成功經驗和失敗教訓闡述控制薄板焊接變形的一些行之有效的方法及一些初淺的見解，旨在類似工程中借鑒和參考。
如何控制焊接應力和變形到最小是大面積薄板焊接中最關鍵的一個環節。控制大面積薄板焊接工程的焊接變形不能單一行事，而應綜合治理。試驗經驗告訴我們，焊接工程中的焊接變形和焊后殘余應力并不是兩種孤立的現象。兩者之間的聯系是有機的，它們同時存在于同一焊件，相輔相成而又相互制約。大面積薄板焊接焊縫形式主要為對接和搭接。但這兩種焊縫形式產生的變形基本一樣，出產生橫向收縮和縱向收縮外，如圖一、二所示，還會產生失穩翹曲變形如圖三所示，即常見的薄板焊接后產生的鼓包。
圖一 焊接橫向收縮 圖二焊接縱向收縮
圖三 焊接失穩翹曲變形
在實際工程中要想獲得最佳的理想狀態。使三種方式的應力和變形合理分布在該結構中，使之相互制約、相互控制，正負壓力保持在一個平衡的狀態下。這一是控制大面積薄板焊接工程中焊接變形的有效途徑。本文一工程中常見的曼型煤氣柜的底板焊接為例進行分析。
1、以10萬立曼型煤氣柜的底板為例
煤氣柜底板焊接工程是十分典型的大面積薄板焊接工程。底板面積為1586.27m2，焊縫總長為 。底板由中心板和內外環板組成。中心板和內環板為δ=5mm厚鋼板組成，外環板為δ=8mm鋼板組成。鋼板材質均為Q235B。底板的結構形式如圖四所示。
圖四 罐底板焊接布置圖
2、技術難點
面積大，板比較薄，內外環板厚度不一致，為厚板與薄板對接，規范要求底板的平面度不大于D/500，且不大于60mm。這就要求在施工時根據理論與施工經驗來制定嚴格的施工工藝，稍不注意就會使產生較大的凸起，給后續施工帶來很大的麻煩。重新修理難度較大，同時會使生產大大地增加。而此問題的產生原因歸根到底就是由于焊接工程中由于對焊接應力和變形產生的機理不了解，不能合理地安排施工工藝而導致的結果。因此，合理的施工工藝安排，是在掌握其產生機理原理分析的基礎上產生的，也就是要理論與實踐要相結合。
[1]
3、焊接工藝及剖析
(1)分析焊接應力和變形產生的機理、影響因素及其內在聯系
如下圖四所示，給出了引起焊接應力和變形的主要因素及其內在聯系。
圖五 引起焊接應力于變形的主要因素及其內在聯系
由圖可看出，焊接時局部不均勻的熱輸入是產生焊接應力與變形的決定因素。而熱輸入是通過因素、制造因素和結構因素所構成的內拘束度和外拘束度而影響熱源周圍的金屬運動，最終形成焊接應力的變形。從圖可以看出，材料因素主要為材料特性、熱常數及力學性能（熱膨脹系數α=f（t），彈性模量E=f（T），屈服強度σs= f（T），σs（T）=0的溫度，Tk或稱“力學熔化溫度”以及相變等），在焊接溫度場中，這些特性呈現出決定熱源周圍金屬運動的內拘束度。制造因素（工藝措施、夾持狀態）和結構因素（構件形狀、厚度及剛性等）則更多地影響著熱源金屬的外拘束度。隨焊接熱過程二變化的內應力場和構件變形，稱為焊接瞬態應力與變化。而焊后，在室溫條件下殘留于構件中的內應力場和宏觀變化，稱為焊接殘余應力與焊接殘余變形。
由于焊接應力和變形問題的復雜性，在工程實踐中往往采用試驗測試與理論分析和數值計算相結合的方法來掌握其規律，以期能達到預測控制和調整焊接應力與變形的目的。
（2）工藝措施及剖析
根據多年的實際經驗和理論分析結果，不管哪種形式的底板，在焊接工藝上采取的工藝措施大致相同，其主要措施有：
① 先焊短焊縫后焊長焊縫，采取分段退焊，由內向外依次進行。
② 中心板和內環板之間的焊縫，可由數名焊工均布對稱施焊，并可同時進行。
③ 內環板與外環板的搭接焊縫暫時不焊，留待底層壁板與內環板角焊縫施焊完畢后在進行焊接。
其防焊接應力與變形的主要原理要點是：
① 焊接后自由收縮
② 減少焊接區與整體結構之間的溫差
③ 使焊接應力盡量減少并均勻布置
（3）工藝措施的具體剖析
以圖一為例分析
① 先焊短焊縫后焊長焊縫的基本原理
如圖中的中心板3、4、5短縫，將其由內向外焊接為一體，可自由收縮為一整體長條。同理，焊完所有短縫，所有中心板都成為焊接后得到自由收縮、基本無應力的若干長條。然后再將個長條由內向外連接起來，也屬于在自由收縮狀態下成型，這樣焊接應力很小，變形也很小。
反之，若先焊長縫A、B，則將Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四板皆固定在A、B兩長縫上，然后再去焊3、4、5短縫，三段縫必收縮，收縮時卻受到A、B長縫的限制而不能自由收縮，熱脹時產生壓應力，收縮時產生拉應力，因而存在較大的焊接應力，會產生很大的變形。整個底板若都這樣焊接或無次序地焊接，底板會產生更大的變形，定會導致底板大量的凸起變形，嚴重的甚至會報廢，造成重大的質量事故。
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② 所有焊縫均采用分段退焊法、由內向外依次基本原理
a、分段退焊基本原理 分段退焊的原理與間歇焊和減少焊接線能量的原理基本是一樣的，主要時縮小焊接區與結構整體之間的溫差，從然減少變形；同時由于頭尾相接的焊接順序，前一段焊縫剛冷卻下來，后一段焊縫的熱量就會給前一段一部分，使其得到一次退火的機會，同時減小了前后的溫差，因而消除應力、減少變形。根據實踐經驗，底板的分段退焊，應以一根焊條為一個循環，一根焊條約焊200mm，這樣要比500mm~600mm一個循環變形要小的多。這樣焊的缺點是接頭增加，降低美觀程度，但比變了形再去處理變形要合算的多（連續焊的接頭少且平滑）。
b、由內向外依次進行的基本原理 如圖中的短縫3、4、5，應先焊4縫，然后再焊3或5縫；長縫A、B，應先焊A后焊B。因為兩板相焊，焊縫會產生橫向收縮和縱向收縮，又因內部是封閉部位，外部屬自由端（越往外越明顯），由內向外可使焊縫的橫、縱焊縫自由收縮；反之，若先焊外，自由端被固定，在焊內部時，焊縫的橫、縱向收縮都會受到限制，因而產生較大應力，從而產生較大變形。
③ 底層邊板與外環板的角焊縫焊完后再焊內外環板之間的對接焊縫
在討論此焊接順序原理之前，請看一個受熱變形的實例，如圖六所示。
圖六 氣割周邊受熱形成的中凸變形
在一張δ=5mm厚的原平板上割下一個φ300mm的圓板，割完后便出現中凸變形，這是因為邊緣受熱后收縮，相對中部伸長，即常說的中部松邊緣緊。根據此例可以相應的分析：壁板與焊縫有兩條，一條是圖一所示邊板與外環板的焊縫①、②縫，一條時內外環板之間的焊縫CD縫，若先焊CD縫，再焊①、②縫，這三條焊縫所產生的收縮量全部疊加在整個底板的邊緣上，比引起底板的中凸變形；若先焊①、②縫并自由脹縮全冷后再焊CD縫，此時只有CD一道縫的收縮量時底板產生中凸變形，因而可最大限度減小變形量。
④ 由多名焊工均布對稱施焊的基本原理
在探討此原理之前，請看圖七，由于不對稱受熱而引起變形，長條板不對稱受熱而引起變形。在底板的焊接中也要由多名焊工均布對稱施焊，這樣可以防止由于不對稱受熱引起偏心力而引起變形，若對稱受熱，即使有應力存在，也不會引起變形，且越往外越明顯，這是因為兩側的應力相等而又有足夠的寬度，不會使中心板產生彎曲。
圖七 鋼板不對稱受熱產生的變形
4、結論
工程實踐告訴我們，大面積薄板焊接的應力和變形的控制必須綜合治理。此工藝經實踐證明對薄板焊接的應力和變形能有效地控制。但在工程實際的運用中還應具體問題具體分析，不斷地進行修改，以達到最優的效果。
參考文獻
陳祝年 焊接工程師手冊 出版社 2002.1 焊接手冊 第三卷，焊接結構/中國機械工程學會焊接學會 2001.8 翟洪旭 翟藝銘 翟潤雪 實用鉚工經驗與竅門精選 機械工業出版社 2005 傅榮柏 焊接變形的控制技術 機械工業出版社 2006[3]
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