法蘭與筒體焊接變形分析與控制

華電曹妃甸重工裝備有限公司 （河北唐山 063200） 顧振興 孫建廣 戚建偉

1. 概述

隨著圓形料場在電力、煤場、碼頭等區域的廣泛應用，對堆取料機的制作能力也提出了更高的要求，但是在圓形堆取料機中，厚法蘭焊接變形問題一直尤為凸顯。為了更好的解決該問題，我公司對制作工藝進行深入分析，實踐后形成工藝方案。

2. 問題提出

產品結構上，堆料和取料的回轉部分結構（見圖1）是由上下聯接法蘭和回轉軸承構成，其主要問題：一是在主要的承載結構部位，承載重量達到幾十噸，法蘭的垂直度直接影響了整機重心是否穩定；二是設備在料場中回轉作業時，平面度超差的法蘭也大大縮短了軸承的使用壽命。

圖1 堆料和取料的回轉部分結構

以往出現的質量問題中，大直徑的下法蘭和筒體焊接時會出現法蘭內外兩邊塌邊變形，法蘭邊緣越寬變形就會越大。分析后認為，焊接位置熱輸入過大，局部熱量較高，法蘭在無約束的情況下受熱會迅速的膨脹，當焊縫溫度逐漸冷卻慢慢收縮，未施焊處與焊縫處冷卻速度不一致，由于法蘭很厚，剛性較大，應力不能釋放，所以就會產生較大的變形，產生“翻邊”和“角焊縫”。當法蘭上下平面厚度出現不同程度超差時，會影響螺栓的安裝，問題嚴重時也會發生變形量超過工藝留量，只能通過對法蘭表面進行局部補焊的方法進行挽救。采用補焊方法不僅返修困難，造成人力、物力的浪費，而且嚴重影響了生產效率，使生產周期滯后；另外局部的高溫也會影響到法蘭的內部組織，降低其結構強度。

3. 產品結構及技術要求

圖2為聯接法蘭與筒體結構，法蘭厚50mm，筒體φ2000mm，法蘭φ2505mm，法蘭內外螺栓孔均布，并在焊接位置的兩端布置加強筋板。

技術要求如圖3所示，制作時法蘭厚度上留加工余量10mm，焊接完成通過車床機加工法蘭平面、鉆床加工螺栓孔。焊接時筒體開坡口，材料為Q345低合金鋼材質，雙面焊接100%超聲波探傷Ⅰ級合格。法蘭上平面機加工滿足表面粗糙度的要求，平面度為0.30mm，與筒體中心線的垂直度要求0.50mm以內。焊接時主要采用CO2氣體保護焊。

圖2 聯接法蘭與筒體結構

圖3 焊縫技術要求

4. 工藝方案的確定

為防止以上情況的發生，工藝方案的細化是焊接該件的重點。我們先焊接外側筋板，采取強制變形的工藝方法防止筒體外側法蘭寬邊緣部分的變形。下面就對該方案進行逐步闡述。

圖4 筒體坡口形式

（1）焊前準備 以筒體板厚16mm為例，采用半自動火焰切割機加工筒體坡口（見圖4），不僅切割速度快、質量好，而且可以有效地減小修磨量；另外規則的坡口可以有效避免因焊接間隙、熔透深度不一造成的碳弧氣刨清根不徹底，受熱不均變形較大的情況發生。由于外側法蘭邊緣長度大，容易發生變形，如果在焊接前焊接外側加強筋板，不便于碳弧氣刨清根，所以選擇筒體的外側開坡口，筒體內側碳弧氣刨清根。

焊接前用砂輪對坡口內外50mm進行打磨，去除母材表面的雜質、油污及鐵銹。焊接采用CO2氣體保護焊，金橋JQ.MG50—6，φ1.2mm焊絲。CO2氣體應干燥、潔凈，氣體流量15~25L/min。

（2）施焊 組對后定位焊，焊接過程中在60mm與16mm板對接的焊接位置用火焰進行分段加熱，溫度控制在150℃左右。采取焊前預熱，一方面降低了焊接應力；另一方面降低焊接應變速率，同時降低變形速率，有利于避免產生裂紋。施焊時的具體參數如附表所示，焊接順序如圖5所示。

具體焊接工藝如下：

焊接參數

圖5 焊接順序

第一，外側筋板焊接：經過分析焊接位置角變形使得外側法蘭外翻，我們決定先將外側筋板全部裝配點焊后進行焊接，法蘭、筒體、筋板形成一個剛性的整體互相支撐，有助于減小焊接變形，筋板的焊縫位置留出過焊孔保證施焊流暢。

第二，外側焊縫打底：首先焊接外側打底層，采用CO2氣體保護焊直線運條焊接，主要原因是直線運條法焊接時熱輸入較小，阻止了柱狀晶的增長，后面多層焊接時進行多次的回火使晶粒得到細化。進行直線運條方式，既可使高溫停留時間縮短，收縮變形隨之變小，焊縫位置不會反復的加熱，同時又有效地防止了偏析，增強了力學性能。打底層焊縫金屬可以保證背面清根的要求即可。

第三，內側碳刨清根：打底完成后利用碳弧氣刨在內側進行清根處理，中厚板焊接背面碳弧氣刨是鋼結構施工中不可或缺的工序之一，碳棒直徑采用φ8mm，電流在400A左右，要注意的是在保證刨槽外觀和深度的同時刨削的速度要盡量的快，減少熱輸入，勻速刨削。

第四，內側筋板焊接：內側焊縫焊接前將內側加強筋板裝配并焊接，可有效減小焊縫內側法蘭變形。

第五，內側焊縫焊接：內側焊縫采用多層多道的焊接方式往外堆積焊接。焊縫對稱焊接，減小變形。焊接時采用直線運條的方式，多段多道焊，減小熱輸入。每焊2~3道都要趁熱對焊縫進行錘擊，消除應力。

第六，外側焊縫填充：填充焊時焊接電流和電壓相應的大于打底層，保證有相對較大的熔深，獲得良好的外觀。焊接時采用直線運條的方式不允許擺動，每一層的厚度在3~5mm，這樣可以在有效保證焊接質量的同時，使冷卻后的變形量得到控制，同時焊接夾渣等缺陷也會大大降低，滿足了生產需求。

5. 結語

在焊接過程中，嚴格按照焊接順序及注意焊接過程中的幾個要點，經過多次實踐檢驗，焊接變形得到有效的控制，法蘭的平面度控制在3mm以內，焊縫可以一次性的通過超聲波探傷檢測Ⅰ級合格標準，補焊、锪孔的情況大大減小，為公司節約了大量的人力物力；同時縮短了生產的周期，很多員工通過該焊縫的焊接積累了厚板焊接的經驗，同時也為保證公司的產品質量打下了良好的基礎。