壓力容器焊接變形的控制與矯正研究

劉一飛

[摘 要]隨著國家工業(yè)化的飛速發(fā)展，壓力容器已實現(xiàn)了在各個行業(yè)的廣泛應(yīng)用，鋼材為壓力容器制造的常用材料，鋼制壓力容器大都采用焊接方法制造而成，在很多時候，焊接過程中由于母材局部沒有均勻受熱，因而導(dǎo)致發(fā)生了不同程度的焊接變形情況。文章對壓力容器常見的焊接變形原因進(jìn)行了分析，進(jìn)而提出了一些矯正方法。

[關(guān)鍵詞]壓力容器；焊接變形；控制矯正

中圖分類號：TG457.5 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-914X（2016）09-0029-01

壓力容器的焊接質(zhì)量在一定程度上可以代表整個壓力容器的質(zhì)量，可見焊接質(zhì)量對壓力容器安全運行的重要性。由于焊接工藝參數(shù)選擇不合理、組裝和施焊的順序不當(dāng)，造成母材局部受熱不勻，產(chǎn)生了各種焊接變形。焊接變形會降低焊接接頭的力學(xué)性能和化學(xué)性能，也會影響到后續(xù)的裝配。另外，對過大的焊接殘余變形進(jìn)行矯正，不但增加了制造成本，也降低了產(chǎn)品的焊接質(zhì)量，影響了工作效率。

一、壓力容器常見的焊接變形的原因及控制

壓力容器是當(dāng)前工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域當(dāng)中的重要設(shè)備，它是一種良好的密閉設(shè)備，內(nèi)部盛裝液體或氣體，需要承載一定的壓力。在實際生產(chǎn)中，反應(yīng)容器、分離容器、換熱容器、貯運容器等，都屬于壓力容器的范疇。在壓力容器的焊接變形當(dāng)中，主要包括大直徑平焊法蘭焊接變形、薄板焊接變形、管板焊接變形等不同種類的焊接變形。

（一）管板焊接變形

管板焊接變形主要包括波浪變形、拱形變形等類型，產(chǎn)生這些變形現(xiàn)象的主要影響因素包括焊接工藝參數(shù)、焊接層數(shù)、管板和筒體的坡口角度等。在焊接過程中，在確保能夠熔透的基礎(chǔ)上，應(yīng)當(dāng)能夠?qū)⒑附与娏鞅M量降低，防止局部過熱而導(dǎo)致焊接變形。如果焊接材料的層數(shù)越多，就可能產(chǎn)生越大的角變形。由于材料層數(shù)較多，需要反復(fù)的進(jìn)行焊接，材料也就會受到反復(fù)的加熱和冷卻，從而使變形量增加。所以，應(yīng)當(dāng)盡可能地減少焊接層數(shù)，從而降低焊接角變形的發(fā)生。同時在確保焊接強(qiáng)度的同時，還應(yīng)當(dāng)將焊角高度盡量降低。對于焊接接頭的焊接角變形來說，管板和筒體的坡口角度、焊縫截面形狀等因素，都會造成較大的影響。坡口處具有越大的角度，在焊接接頭的上下部位就會發(fā)生越大的橫向收縮量差別。所以，在確保能夠焊透的基礎(chǔ)上，應(yīng)當(dāng)盡量降低坡口的角度。如果筒體厚度在16mm以上，就應(yīng)當(dāng)采用U型坡口。

（二）薄板焊接變形

在薄板焊接變形當(dāng)中，根據(jù)變形程度的不同，可細(xì)分為局部變形、整體變形等。其中，局部變形主要包括角變形、波浪變形等，在實際生產(chǎn)中，斷截面積的大小、焊接材料的熱物理性能、焊縫數(shù)量的多少、焊接工藝參數(shù)的選擇等因素，都會對其造成影響。整體變形主要包括縱向變形、扭曲變形、彎曲變形、橫向變形等類型，具體指的是在完成焊接工作之后，整個壓力容器的尺寸、結(jié)構(gòu)比例等參數(shù)均發(fā)生了一定的變化。

熱物理性能是一種宏觀的熱學(xué)性能，它是材料所固有的屬性。對于薄板焊接變形來說，線膨脹系數(shù)、中熱擴(kuò)散率等因素能夠?qū)ζ洚a(chǎn)生巨大的影響。比較不銹鋼板和碳鋼板，如果材料的形狀、厚度相同，選取同樣的焊接工藝參數(shù)進(jìn)行，在焊接之后，碳鋼板的變形量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于不銹鋼板。對于線膨脹系數(shù)較大、熱擴(kuò)散率較低的材料來說，焊接線就應(yīng)當(dāng)取較小的能量值。在薄板材料當(dāng)中，由于斷截面積通常比較小，所以焊接層數(shù)也不多，不會對焊接變形產(chǎn)生太大的影響。然而，在實際生產(chǎn)過程中，正是由于焊接層數(shù)較少，因而通常會調(diào)高電弧電壓和焊接電流，以期能夠一次性成型，這樣就造成了嚴(yán)重的焊接變形現(xiàn)象。在壓力容器的焊接過程中，焊接速度、電弧電壓、焊接電流等焊接工藝參數(shù)具有十分重要的意義。在通常情況下，焊接電流和電壓與焊接速度成反比，與結(jié)構(gòu)變形度成正比。因此在焊接過程當(dāng)中，應(yīng)當(dāng)對這些工藝參數(shù)進(jìn)行有效的控制，從而對焊接變形的產(chǎn)生發(fā)揮一定的預(yù)防作用。

（三）大直徑平焊法蘭焊接變形

大直徑平焊法蘭焊接變形主要有法蘭端面變形、法蘭直徑變形和與法蘭焊接的筒體的變形。大直徑平焊法蘭焊接變形的原因如下。

大直徑平焊法蘭與筒體焊接時，由于法蘭直徑大，剛性差，焊道長，焊完一圈需要的時間長。在焊接過程中，焊縫熔合區(qū)受熱和冷卻速度以及焊縫間斷的冷卻時間間隔太長，造成整個焊縫區(qū)受熱不均勻，焊縫收縮變形也不均勻，由此產(chǎn)生了焊接變形。焊接采用單面連續(xù)焊時，法蘭焊接區(qū)周向受熱部分受到焊縫冷卻時環(huán)向收縮應(yīng)力的作用，發(fā)生平面變形。同時由于焊縫的環(huán)向的焊接收縮量很大，也進(jìn)一步將變形擴(kuò)大，形成了不規(guī)則的橢圓現(xiàn)象，有內(nèi)凹，也有外凸。法蘭斷面的扭轉(zhuǎn)力非常大，足以使筒體也產(chǎn)生相應(yīng)的變形。

二、壓力容器焊接變形的控制與矯正

（一）焊接變形的控制

在壓力容器焊接進(jìn)行之前，應(yīng)當(dāng)對焊縫的尺寸、形狀等進(jìn)行合理的設(shè)計和選擇。焊縫的形狀也就是坡口的形狀。在厚度相同的平板對接過程中，U型坡口焊縫和雙V型坡口焊縫所產(chǎn)生的焊縫角變形要小于單V型坡口焊縫。如果焊接結(jié)構(gòu)能夠進(jìn)行兩面施焊和翻轉(zhuǎn)施焊，坡口形式就可以設(shè)計成兩面對稱的形式。對于焊縫的尺寸，在確保結(jié)構(gòu)焊接性能的基礎(chǔ)上，應(yīng)當(dāng)盡量降低焊縫的坡口角度。為了對焊接變形進(jìn)行有效的控制，可采取散熱法、留余量法、熱平衡法等焊接工藝。其中，散熱法主要是采取各種方式，迅速的散去施焊處的熱量，降低受熱區(qū)的焊接變形。在管板堆焊當(dāng)中，這種方法應(yīng)用的較為廣泛。留余量法主要是在下料的過程中，適當(dāng)?shù)妮^大設(shè)計尺寸和零件尺寸，從而對焊件的收縮情況進(jìn)行補(bǔ)償。在不銹鋼筒體與大尺寸封頭的對接過程中，常采用此種方法。熱平衡法主要針對的是不對稱布置的焊縫結(jié)構(gòu)，在不對稱結(jié)構(gòu)的焊接當(dāng)中，時常會出現(xiàn)彎曲變形。因此在焊接過程中，可采用氣體火焰同步加熱的方法在焊縫對稱位置上進(jìn)行焊接。同時選擇適當(dāng)?shù)募訜峁に噮?shù)，就能夠?qū)附幼冃芜M(jìn)行有效的控制。

（二）焊接變形的矯正

在壓力容器的焊接當(dāng)中，由于可造成焊接變形的因素過多，因此，在實際工作中往往難以進(jìn)行有效的全面控制，因此一些焊接變形的產(chǎn)生也是不可避免的。如果殘余的焊接變形量超出了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，就應(yīng)當(dāng)采用適當(dāng)?shù)拇胧┻M(jìn)行矯正。熱矯正法和冷矯正法是兩種較為常用的矯正方法。其中，熱矯正法主要是在局部進(jìn)行火焰加熱，產(chǎn)生反變形來抵消原焊接變形。冷矯正法主要包括機(jī)械矯正和手工矯正。在實際焊接生產(chǎn)中，要根據(jù)焊件的實際性能等因素，來選擇最為合適的矯正方法。

壓力容器是當(dāng)前工業(yè)領(lǐng)域當(dāng)中的重要應(yīng)用設(shè)備，壓力容器的制作目前采用的大多是焊接工藝。而在壓力容器的焊接過程中，由于各種原因的影響，難免會產(chǎn)生一定的焊接變形。雖然能夠采取一些措施進(jìn)行控制，但由于影響因素過多，因而也無法完全避免。對此，應(yīng)基于焊接變形的產(chǎn)生原因，采用適當(dāng)?shù)拇胧┻M(jìn)行矯正，從而確保壓力容器的應(yīng)用性能。

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