翻转机围轮焊接变形控制

翻转机围轮焊接变形控制

龚蝉娟

广州南方管道有限公司

摘要：翻转机围轮壁板直径大、板厚较厚、重量大，受场地、起重设备的影响，翻转围轮先分二片组合，焊接变形要求控制在±3mm；由于焊接变形要求特别高，工艺控制稍微不当，就会产生焊后变形，变形后产品矫正困难，从而不能保证产品质量，因此焊接过程控制尤其重要。

关键词：焊接，变形，焊缝

绪论

中国钢产量自1996年突破1亿吨以后，连续9年居世界第一。2003年我国的钢产量已超过2亿吨。钢材的实际消费量也大，如40%的钢材要经过焊接加工才能成为有用的构件和产品。焊接低碳钢和低合金结构钢的主要技术问题是焊接变形。

钢柱是工业厂房和民用框架的主要支撑结构构件。其制作特点是：构件截面尺寸和高度达，钢板厚，焊缝多，变形控制困难，集合尺寸要求严格，制作工艺复杂。

如何控制焊接变形是焊接结构生产的关键问题，也是保证产品合格的重要里程碑。

一、焊接变形的概述

焊接变形是钢构件在未受荷载前，由于施焊电弧高温引起的变形。包括缩短、角度改变、弯曲变形等。

焊接变形可分为面内变形和面外变形。焊接变形的面内变形可分为焊缝纵向收缩变形、横向收缩变形和焊缝回转变形，面外变形可分为角变形、弯曲变形、扭曲变形、失稳波浪变形。

二、技术要求及其特点

本文章只针对某项目的翻转机制作要求而讨论。

某项目的翻转机围轮（钢柱+法兰）（图1）壁板直径范围：10500mm，围（壁）板厚度：35mm，内壁衬板厚度为30mm，法兰厚度为50mm；材质为Q345C；由于受场地、起重设备的影响，翻转围轮先分二片组合，然后整体组合焊接，法兰与围板、围板与内壁衬板焊接要求全熔透，法兰及围板焊接变形要求控制在±3mm，焊接完成后进行100％UT。

由于翻转机围轮直径较大，重量大（钢柱4.6t），焊接变形要求特别高，如果工艺控制稍微不当，就会产生焊后变形，从而不能保证产品质量，因此焊接过程控制尤其重要。

图1（注：组装时法兰方向朝下）

三、影响焊缝变形的主要原因

1.焊缝截面积的影响

坡口过大，焊缝截面积是指熔合线范围内的金属面积，焊缝面积越大，冷却时收缩引起的塑性变形量越大，就会导致焊接量增大，焊接残余应力叶随之大大增加；坡口过小，易形成深而窄的型式，焊缝成形系数偏小，因此坡口的大小选择起着至关重要的作用。在焊缝中心由于区域偏析会聚集较多的杂质，在拘束应力下抗热裂纹性能差。

2.焊接层数的影响

1）横向收缩：在对接接头多层焊接时，第一层焊缝的横向收缩符合对接焊的一般条件和变形规律，第一层以后相当于无间隙对接焊，接近于盖面焊道时与堆焊的条件和变形规律相似，因此，收缩变形相对较小。

2）纵向收缩：多层焊接时，每层焊缝的热输入比一次完成的单层焊时的热输入小得多，加热范围窄，冷却快，产生的收缩变形小得多，而且前层焊缝焊成后都对下层焊缝形成约束，因此，多层焊时的纵向收缩变形比单层焊时小得多，而且焊的层数越多，纵向变形越小。

3.焊接热输入的影响

一般情况下，热输入大时，加热的高温区范围大，冷却速度慢，使接头塑性变形区增大，不论对纵向、横向或角变形都有变形增大的影响。

4.工件的预热、层间温度影响

预热温度和层间温度越高，相当于热输入增大，使冷却速度减慢，收缩变形增大。

5.焊接方法的影响

熔焊使焊缝及其附近的母材经历了一个加热和冷却的热过程，由于温度分度不均匀，焊缝受到一次复杂的冶金过程，焊缝周围受到一次不同规范的热处理，引起相应的组织和性能的变化，直接影响焊缝质量。金属结构焊接常用的焊接方法有埋弧焊，手工焊和CO2气体保护焊等，各种焊接方法的热输入差别较大，埋弧焊热输入最大，在其他条件如焊缝面积等相同情况下，收缩变形最大；手工电弧焊热输入居中，收缩变形比埋弧焊小。CO2气体保护焊热输入最小，收缩变形响应也最小；一般情况下，焊接热输入大时，加热的高温区范围大，冷却速度慢，接头塑性变形区增大。

6.结构的刚性对焊接变形的影响

结构的刚性大小，主要取决于结构的形状和其截面大小，刚性较小的结构，焊接变形大；刚性大的结构，焊后变形较小。

7.装配和焊接规范对焊接变形的影响

由于采取的装配方法不同，对结构的变形也有影响。整体装配完再进行焊接，其变形一般小于边装配边焊接。

四、防止和减少结构变形的措施

1.找平

焊接前将钢柱垫平，最好用水平仪找平。

2.选择焊接方法

CO2气体保护焊（收缩变形响应最小），焊丝型号ER70S-6，直径为1.2mm。

3.焊接参数的确定

CO2气体保护焊焊接的层数和工艺参数如表1-1

4.坡口形式

围板拼接开U形坡口（见图2），坡口角度为30°，坡口半径R为8mm；考虑围板与法兰、围板与内壁衬板的焊接存在焊接向外变形量大，向内凹变形小的特点及以往的焊接经验，围板与法兰焊接采用开双面不等边K形坡口，围板内壁为2/3板厚，坡口角度40°，围板外壁为1/3板厚，坡口角度35°（见图3）；

围板与内壁衬板焊接采用开双面不等边K形坡口开双面不等边K形坡口开双面不等边K形坡口围板内壁为2/3板厚，坡口角度40°，围板外壁为1/3板厚，坡口角度35°（见图4）；

5.预热温度和层间温度

预热温度为100~150℃，层间温度≤200℃。

6.焊工的选择

选择素质较高，技术较好的施焊人员4～6人。

7.组合

立柱周长为32.97m，上下围板各有三块钢板拼接而成，先焊接围板纵焊缝，然后再进行围板和衬板、法兰组合焊接，因为先进行围板和衬板、法兰组合焊接，第一是组对困难，第二是围板和衬板、法兰组合焊接会导致围板纵缝产生很严重的变形，从而影响到纵缝的组对与焊接，再者，先焊围板纵缝，纵缝可以自由收缩，对围板和衬板、法兰组合焊缝也没什么影响，而先焊围板和衬板、法兰组合焊缝，由于围板纵缝一端被固定，导致不能自由收缩，残余应力和应力变形会大大增加。

先焊围板纵向焊缝→上、下围板与内壁衬板组合→下围板与法兰组合→内壁加加强筋板（注：法兰、下围板及内壁衬板所用加筋板规格：δ12*160*320mm，上围板及内壁衬板所用加筋板规格：δ12*180*180mm，加筋板间隔500~550mm。）。

上围板与内壁衬板组合，先组合加筋板与内壁衬板（点焊固定），再进行上围板与内壁衬板组合，用直角尺测量上围板与内壁衬板是否垂直，垂直后才进行加筋板加固，焊角不小于12mm（分段焊接，焊接长度不小于75mm）。

下围板与法兰组合，先组合内壁加加强筋板与内壁衬板（点焊固定），再进行下围板与内壁衬板组合，用直角尺测量上围板与内壁衬板是否垂直，垂直后才进行加筋板加固，焊角不小于12mm（分段焊接，焊接长度不小于75mm）。

8.焊接顺序

先焊围板纵向焊缝焊接，上、下围板与法兰、内壁衬板组合焊采用焊接分段对称焊接，焊接顺序如图5；

围板与法兰、围板与内壁衬板的焊接采用交叉焊接，先焊接内壁，再焊接外壁，内壁六层，外壁三层焊接顺序如下，每次焊接都进行预热。

五、效果

翻转机围轮焊接变形控制在符合要求范围内，焊接接头中没有产生冷、热裂纹等缺陷，焊缝目视检查和NDE检测100%合格，通过了公司内部QC和业主的验收。

结论

翻转机围轮焊接变形控制，采用合理的坡口设计，在焊接过程中采用合理的焊接方法和焊接参数,选择合理的焊接次序，随焊强制冷却，等措施均可降低焊接残余应力、减小焊接变形。

1.采用合理的坡口设计

2.厚板焊接尽可能采用多层焊代替单层焊。“T”形接头板厚较大时采用开坡口对接焊缝，双面均可焊接操作时，要采用双面对称坡口，并在多层焊时采用与构件中心线（或轴线）对称的焊接顺序。

3.纵向加强肋和横向加强肋的焊接采用间断焊接法，中心板和内环板之间的焊缝，可由数名焊工均布对称施焊，同时进行。

4.组焊时要采取合理的焊接顺序，根据结构和焊缝的布置，要先焊收缩量较大的焊缝，后焊收缩量较小的焊缝；先焊拘束度较大而不能自由收缩的焊缝，后焊拘束度较小而能自由收缩的焊缝。

5.选用不同的焊接参数，采用能量密度较高的焊接方法，通过较小的焊接热输入，控制焊接温度场，减小焊接变形。

6.采用焊强制冷却的方法使焊缝处热量迅速散走，减小金属受热面，也能能够显著地降低残余应力和减少焊接变形。

参考文献

[1]《焊接手册》第3卷焊接结构中国机械工程学会焊接学会编.

[2]《焊接变形的控制与矫正》付荣柏编著.