小直径薄壁容器焊接变形控制

小直径薄壁容器焊接变形控制

刘明志,吴晶晶

西安航天华威化工生物工程有限公司 陕西西安 710100

摘要：焊接过程中，由于急速不平衡加热及冷却，零件结构将不可避免的产生不可忽视的变形。本文针对小直径薄壁容器焊接变形问题，根据实践经验，重点阐述焊接变形的影响因素及控制方法。

关键词：薄壁容器；焊接变形；控制方法

0 前言

钢材焊接通常采用熔化焊方法，在焊接处局部加热，使母材与焊材熔化成液体金属，形成熔池，随后冷却凝固成固态金属，使原本分开的钢材连接成整体。因加热、冷却这种变化在局部范围急速的进行，膨胀和收缩变形均受到拘束而产生塑性变形。焊接变形是不可避免的，变形零件会影响零件的正常使用性能，所以控制零件的变形是十分必要的。

1 设备条件及问题分析

本公司承揽两套滴流装置的分布器设计及制造。分布器内径440mm，筒体壁厚1.0mm，底盘厚5mm，且底盘设有一定数量的螺纹孔，筒体顶部外壁设置两个吊环，设备主体材质S31603，分布器结构及主要尺寸如图1所示。制造过程中，稍有不慎，筒体对接焊及筒体与底盘角接时均会产生较大的焊接变形，严重影响后期装置的整体装配及使用效果。

图1 分布器结构及尺寸详图

影响零件焊接变形的因素有很多，但主要的影响因素有材料、结构和工艺3个方面。

1.1 材料因素的影响

材料对于焊接变形的影响不仅和本体材料有关，而且和焊接材料有关，一般热传导系数越小，温度梯度越大，焊接变形就会越显著，随着热膨胀系数的增加焊接变形相应增加。

1.2 结构因素的影响

不同的焊接结构零件，会有不同的焊接变形量，而且变形量的大小随零件结构形式的差异而不同。钢材零件的焊接一般要求焊后保证零件整体的强度要求，所以零件上经常会有多道焊缝，焊缝数量越多就会使焊接变形量越大。设计零件焊接结构时，注意零件焊接处焊接时应避免出现干涉。例如本分布器，筒体焊接完成以后，在焊接零件根部一圈角焊缝时，由于有筒体纵缝与角焊缝的干涉位置存在，焊缝处产生不均匀的拉力作用，导致零件产生偏斜。

1.3 工艺因素的影响

焊接工艺对焊接变形的影响方面很多，例如焊接方法、焊接参数、构件的定位或固定方法、焊接顺序等。在各种工艺因素中，焊接顺序对焊接变形的影响较为显著，一般情况下，改变焊接顺序可以改变残余应力的分布及应力状态，减少焊接变形。例如在一个大零件上焊接两个有位置度要求并与大零件也有位置度要求的零件时，可以根据两个零件的大小、焊缝结构选择先焊接变形量较小的零件焊接，最后再根据已经焊好的零件来控制定位焊接最后变形较大的焊接零件，这样有顺序的选择焊接，可有效的控制三个零件的相对变形量，保证零件的变形量要求。

2 焊接变形的控制

焊接变形的控制主要分焊接前预变形控制、焊接过程中控制以及焊后变形控制。

2.1 焊接前预变形控制

焊前预防变形主要包括预防变形和刚性固定组装法。

焊前预防变形是指根据预测的焊接变形大小和方向，在焊接零件装配时预留出与焊接变形大小相当方向相反的预变形量，这样在实际零件焊接后，实际变形量抵消了预变形量，使零件达到合格尺寸。刚性固定组装法是指采用焊接夹具，将待焊接零件刚性固定住，焊接时可有效的控制待焊接零件的角度变形与弯曲变形。

于本分布器而言，在筒体顶端内壁设置加强环，一方面起到防止筒体焊接过程发生较大变形作用，另一方面支撑筒体，起到强度加强作用。同时，在组对筒体与底板时，借助于底板现有螺栓孔，设计一个与底板螺栓孔对应的焊接底座，施焊时，将底板与底座用螺栓固定，可以减小焊接筒体与底板的角焊缝时产生较大的焊接变形。

 2.2 焊接过程控制

焊接过程控制主要方法是采用合理的焊接方法和规范参数，选择合理的焊接顺序来减小焊接变形量。焊接参数的选择直接会影响焊缝变形量的大小。参数偏大时会使零件局部加热时受热增大，增加了零件的热变形量，使零件的整体变形量增大。焊接方法和顺序的选择对于焊接变形较为显著，选择不合理的焊接顺序和焊接方法会使零件变形产生累积，最终导致零件变形大，尺寸不合格。

本分布器根据实际结构，选用先焊接筒体与加强环，再组焊底板，最后焊接吊环的顺序进行施焊。筒体的对接焊及角焊缝采用全焊透的形式，加强环与筒体的焊接采用间断焊。根据本体材料及厚度，选用手工钨极氩弧焊进行焊接，焊接过程中尽量选用小电流、细焊丝，防止局部受热过大，产生较大的焊接变形量，同时也避免发生焊透等较大的焊接缺陷。

施焊时的具体工艺参数如下：焊缝对接无坡口；焊丝选用ER316L，Ф0.8 mm；焊接参数：I=120 A，U=13 V，V=13 cm/min，焊接线能量计算q=IU/V=120×13×60÷13×10-3=7.2 KJ/cm。钨极气体保护焊（采用氩气保护），氩气保护作用好；氩弧的温度高，热量集中，而且有氩气流的冷却作用，焊缝的热影响区小；焊缝的强度高，耐腐蚀性好，焊件的变形小，可以得到优质的焊接接头，非常适合小批量装备的焊接。

2.3 焊后变形控制

零件焊接后，只能通过矫正措施来减小或消除已经发生的焊接变形。矫正的方法主要有对零件进行加热矫正和机械加工矫正。对于一些变形量不大、且材料硬度不高的变形零件，可以用气焊焊炬对焊缝变形处进行加热，加热后可用木质榔头对零件进行敲打热校正，使零件恢复形变，满足要求尺寸。有些零件硬度较大，而且零件本身较大时，可以在焊前加大零件尺寸，焊接后用机械加工变形零件尺寸，达到焊接后机械矫正的目的。

本分布器因筒体壁厚较薄，焊接工艺参数选取合适，焊后变形矫正较易进行。在筒体焊接完成后采取橡胶锤锤击的方式进行矫正，重点对筒体纵缝部位进行高频次、小幅度的锤击，防止用力过大，锤击过度。锤击矫正后的筒体如下图2 所示。

图2 筒体矫正后实物图

3 总结

通过分析，基本了解焊接变形的原因及焊接变形的控制方法。针对本分布器的加工，对小直径薄壁容器的焊接变形采取了有效的措施进行控制，有效防止了焊接变形所带来的危害。