焊接鋼制罐體焊接應力及變形的控制應用

摘 要:在焊接的過程中會焊件會產生內應力及變形，根據鋼制罐體在焊接過程中產生焊接變形的現象，本文分析了焊接應力及變形產生的原因，提出了鋼制罐體焊接應力及變形控制的措施，為有效保證焊接質量和罐體制作質量提供參考。

關鍵詞:鋼制罐體 焊接應力 變形 控制

中圖分類號:TG404文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2012)01(a)-0068-01

1 引言

近幾年中國經濟發展很快，現代工業生產制造業發展更是迅速，作為現代工業生產制造業中必不可少的工藝之一的焊接，它涉及到電弧物理、傳熱、冶金和力學等方面，是一個復雜的學科。焊接現象包括焊接時的電磁、傳熱過程、金屬的熔化和凝固、冷卻時的相變、焊接應力和變形等[1]。在焊接的過程中焊件會產生內應力及變形，其根本原因是焊接過程產生的溫度場不均勻以及由它引起的局部塑性變形和比容不同的組織。由于焊接應力與變形的存在，在焊接鋼制罐體時，會對鋼制罐體產生不利的因素，比如對鋼制罐體的強度、剛度、穩定性、加工精度以及耐久性等產生影響，因此采用合理的措施控制應力及變形是鋼制罐體安裝的關鍵。

2 鋼制罐體在焊接過程中產生焊接變形的現象和應力及變形的產生原因

鋼制儲罐在焊接過程中產生焊接變形的現象主要有:焊縫的徑向收縮和橫向收縮對鋼板產生應力與變形現象; 底板與壁板角縫、底邊板與底中幅板間環焊縫的徑向收縮引起罐體底邊板角變形和中幅板的應力與變形現象;應力的疊加使得鋼板失穩引起的波浪變形。

影響焊接應力與變形的最根本的因素是焊件受熱不均勻，其他的還有焊縫金屬的收縮、焊件金相組織的變化及焊件剛性與拘束等。在焊接時，焊接的局部從常溫加熱到高溫，造成構件溫度場的不均勻，溫度場的不均勻使得鋼制罐體產生拉應力，當拉應力達到鋼材的屈服極限，會使得鋼制罐體或者構件的局部區域產生塑性變形，此時的內部變形由彈性變形率和塑性變形兩部分組成，當溫度恢復到常溫時，彈性變形部分恢復，塑性變形部分不能恢復。當焊接完成時，構件的溫度回到常溫，拉應力仍然殘留在整個罐體中，稱為殘余應力。在整個罐體中的不同區域、板厚、深度處其殘余應力的大小值不同，從而產生變形。不同的焊縫因鋼制罐體所處的位置、外部環境不同，高溫下體積膨脹量受到約束，冷卻后塑性變形也不同，殘余應力也不同，應力分布不均勻會導致應力集中，應力集中對整個罐體產生非常不利的影響。因此焊接殘余應力的峰值大小、分布狀態直接對儲罐的疲勞破壞和應力腐蝕開裂等產生不良影響[2]。

3 焊接應力及變形的控制

3.1 合理的焊縫設計與選材

根據鋼制罐體的各組成構件的材料尺寸進行合理的焊縫設計，中幅板采取由中心向四周對稱的排列方式，優點是在焊接過程中可以均布和同步焊接，使得其在相對自由膨脹收縮的狀態下施焊。對焊縫要進行合理的設計，焊縫不宜集中在一起或者三向交叉，其尺寸應按規范設計、避免過大，焊縫布置可采取對稱的排列方式，焊縫的位置不應出現仰焊的現象。焊接前對焊件焊縫周邊位置采取無損傷檢查，如用超聲波和磁粉進行檢查，從而避免因焊件自身的缺陷而出現應力集中現象。

3.2 焊接方法的選擇

由于焊接加熱過程具有局部性，瞬時性和移動性，焊接應力引起的焊接變形是必然存在的[3]。只要找出引起焊接變形的主要因素，合理的分析變形的方向、量值和規律，進而采取合理的焊接方法，選取適當的工藝流程，就可以控制焊接應力應變在合理的范圍內，使其趨于最小，甚至可以消除。在焊接時采用分段焊、分層焊、對稱焊縫，可以使其變形相反而抵消。在焊接前使鋼制罐體有一個與焊接變形相反的預變形，針對小構件可以采取焊前預熱、焊后回火，然后慢慢冷卻至室溫。

在焊接鋼制罐體中大量選擇的焊接方法是半自動CO2保護焊工藝，它的特點是焊縫的截面積小、焊接坡度角度小、焊接線能量小和焊接速度快，與此同時它還有焊條電弧焊的靈活性和埋弧自動焊的高效性，又避免了焊條電弧焊焊縫成形系數大效率低變形大，埋弧焊線能量大變形大的缺點。

3.3 焊接施工過程控制

在鋼制罐體的焊接施工過程中進行控制，如控制焊件的加熱程度和加熱范圍來降低應力，在焊接罐體的底板時，可采取先焊短焊縫，后焊中長焊縫，而后是焊接通長焊縫，預留收縮縫，先焊完罐底大角焊縫焊最后進行收縮縫的焊接的順序。焊工安排要均勻分布，對稱同時同步。在焊接中可以應用分段跳焊退焊，這樣可以讓之前的焊縫先冷卻，可以使焊縫附近的金屬的溫度場變化很小，焊接應力出現的幾率可以變少。

波浪變形屬于失穩變形，一般產生于薄板結構中，是由于板中的殘余應力大于失穩的臨界應力值。針對鋼制罐體的中幅板焊接后的波浪變形，可以有以下幾種控制措施:鋼制罐體的中幅板焊縫在焊接之前，可以固定住沿焊縫長度方向，在所有焊縫兩端加墊板防止焊材在焊縫位置的部分發生翹曲;對于每條焊縫，在焊接前，可以在焊縫的垂直方向每隔3m用一定長度的背杠進行約束，背杠在全部焊完整條焊縫并冷卻到室溫后方可拆除。連接在鋼制罐體的罐底與罐壁的角焊縫，可以由罐內、外沿同一方向分段焊接，但應在底圈壁板縱向縫焊完后才能開始。中幅板與邊緣板間丁字焊縫先不焊接，待預留收縮縫焊接時一并焊接。

根據鋼制罐體的受力條件，位于邊緣板與壁板的角縫采用外大內小的形式，即不對稱x型坡口。同樣，在壁板與底板的焊縫的形式是T型，而且不對稱，在焊接時溫度場分布不均勻，金屬在沿板兩側收縮不一致，容易引起壁板與底板的角變形，可以采取在罐內側布置一定數量以1m為間距的斜撐，斜撐可以起到對由內外角縫焊接造成壁板與底板的角變形約束的作用。焊接焊工的安排應使焊接等速，罐體內外的焊工應錯開。

3.4 焊中應力消除與焊后熱處理

在焊接鋼制罐體過程中，可以采取用手錘和電動風鏟振動敲擊焊縫的形式，減小焊接應力，但對敲擊的形式和環境要遵循以下原則:必須均勻敲擊焊縫，而且焊縫要處于受熱的狀態。因為在受熱狀態和均勻的錘擊下可以引起焊縫金屬橫向塑性伸展，這能夠補償一定的焊縫收縮，致使該焊縫位置的殘余拉應力的彈性應變得到恢復，可以消除部分焊接殘余應力。

焊縫焊接完成后，應進行焊后熱、保溫處理。這能使擴散氫從焊縫中從焊材逸出的時間延長，也可釋放焊接產生的應力，從而避免延遲裂紋出現。焊后熱處理可以采用在焊縫兩側一定范圍內用氧、乙炔中性火焰進行均勻烘烤，用溫度計在焊縫處測量讀數，以此控制好溫度并用4層以上石棉布裹緊，保溫4h以上然后自然冷卻至室溫。

4 結語

在焊接鋼制罐體時由于焊接應力引起的變形是不可避免的，但是我們可以不斷研究，在實踐中不斷總結、積累焊接和施工經驗，采取合理的焊接方法和控制措施，以便減小和消除焊后殘余應力和變形，綜合分析考慮各種因素，通過合理的焊縫設計與選材、焊接方法的選擇、焊接施工過程控制、焊中應力消除與焊后熱處理的控制措施，有效保證焊接質量和罐體制作質量。

參考文獻

[1]鄭卜祥.航天鋁合金板件的焊接應力與變形研究[D].北京:北京工業大學碩士學位論文，2008，5.

[2]中國機械工程學會焊接學會.焊接手冊[M].北京:機械工業出版社，1992.

[3]曾樂，周敏惠，徐域棟，等.現代焊接技術手冊[S].上海科學技術出版社，1993.