焊接钢制罐体焊接应力及变形的控制应用

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焊接钢制罐体焊接应力及变形的控制应用

作者：李涛

来源：《科技创新导报》2012年第01期

摘 要:在焊接的过程中会焊件会产生内应力及变形,根据钢制罐体在焊接过程中产生焊接变形的现象,本文分析了焊接应力及变形产生的原因,提出了钢制罐体焊接应力及变形控制的措施,为有效保证焊接质量和罐体制作质量提供参考。 关键词:钢制罐体 焊接应力 变形 控制

中图分类号:TG404 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2012)01(a)-0068-01 1 引言

近几年中国经济发展很快,现代工业生产制造业发展更是迅速,作为现代工业生产制造业中必不可少的工艺之一的焊接,它涉及到电弧物理、传热、冶金和力学等方面,是一个复杂的学科。焊接现象包括焊接时的电磁、传热过程、金属的熔化和凝固、冷却时的相变、焊接应力和变形等[1]。在焊接的过程中焊件会产生内应力及变形,其根本原因是焊接过程产生的温度场不均匀以及由它引起的局部塑性变形和比容不同的组织。由于焊接应力与变形的存在,在焊接钢制罐体时,会对钢制罐体产生不利的因素,比如对钢制罐体的强度、刚度、稳定性、加工精度以及耐久性等产生影响,因此采用合理的措施控制应力及变形是钢制罐体安装的关键。 2 钢制罐体在焊接过程中产生焊接变形的现象和应力及变形的产生原因

钢制储罐在焊接过程中产生焊接变形的现象主要有:焊缝的径向收缩和横向收缩对钢板产生应力与变形现象; 底板与壁板角缝、底边板与底中幅板间环焊缝的径向收缩引起罐体底边板角变形和中幅板的应力与变形现象;应力的叠加使得钢板失稳引起的波浪变形。

影响焊接应力与变形的最根本的因素是焊件受热不均匀,其他的还有焊缝金属的收缩、焊件金相组织的变化及焊件刚性与拘束等。在焊接时,焊接的局部从常温加热到高温,造成构件温度场的不均匀,温度场的不均匀使得钢制罐体产生拉应力,当拉应力达到钢材的屈服极限,会使得钢制罐体或者构件的局部区域产生塑性变形,此时的内部变形由弹性变形率和塑性变形两部分组成,当温度恢复到常温时,弹性变形部分恢复,塑性变形部分不能恢复。当焊接完成时,构件的温度回到常温,拉应力仍然残留在整个罐体中,称为残余应力。在整个罐体中的不同区域、板厚、深度处其残余应力的大小值不同,从而产生变形。不同的焊缝因钢制罐体所处的位置、外部环境不同,高温下体积膨胀量受到约束,冷却后塑性变形也不同,残余应力也不同,应力分布不均匀会导致应力集中,应力集中对整个罐体产生非常不利的影响。因此焊接残余应力的峰值大小、分布状态直接对储罐的疲劳破坏和应力腐蚀开裂等产生不良影响[2]。 3 焊接应力及变形的控制

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3.1 合理的焊缝设计与选材

根据钢制罐体的各组成构件的材料尺寸进行合理的焊缝设计,中幅板采取由中心向四周对称的排列方式,优点是在焊接过程中可以均布和同步焊接,使得其在相对自由膨胀收缩的状态下施焊。对焊缝要进行合理的设计,焊缝不宜集中在一起或者三向交叉,其尺寸应按规范设计、避免过大,焊缝布置可采取对称的排列方式,焊缝的位置不应出现仰焊的现象。焊接前对焊件焊缝周边位置采取无损伤检查,如用超声波和磁粉进行检查,从而避免因焊件自身的缺陷而出现应力集中现象。

3.2 焊接方法的选择

由于焊接加热过程具有局部性,瞬时性和移动性,焊接应力引起的焊接变形是必然存在的[3]。只要找出引起焊接变形的主要因素,合理的分析变形的方向、量值和规律,进而采取合理的焊接方法,选取适当的工艺流程,就可以控制焊接应力应变在合理的范围内,使其趋于最小,甚至可以消除。在焊接时采用分段焊、分层焊、对称焊缝,可以使其变形相反而抵消。在焊接前使钢制罐体有一个与焊接变形相反的预变形,针对小构件可以采取焊前预热、焊后回火,然后慢慢冷却至室温。

在焊接钢制罐体中大量选择的焊接方法是半自动CO2保护焊工艺,它的特点是焊缝的截面积小、焊接坡度角度小、焊接线能量小和焊接速度快,与此同时它还有焊条电弧焊的灵活性和埋弧自动焊的高效性,又避免了焊条电弧焊焊缝成形系数大效率低变形大,埋弧焊线能量大变形大的缺点。

3.3 焊接施工过程控制

在钢制罐体的焊接施工过程中进行控制,如控制焊件的加热程度和加热范围来降低应力,在焊接罐体的底板时,可采取先焊短焊缝,后焊中长焊缝,而后是焊接通长焊缝,预留收缩缝,先焊完罐底大角焊缝焊最后进行收缩缝的焊接的顺序。焊工安排要均匀分布,对称同时同步。在焊接中可以应用分段跳焊退焊,这样可以让之前的焊缝先冷却,可以使焊缝附近的金属的温度场变化很小,焊接应力出现的几率可以变少。

波浪变形属于失稳变形,一般产生于薄板结构中,是由于板中的残余应力大于失稳的临界应力值。针对钢制罐体的中幅板焊接后的波浪变形,可以有以下几种控制措施:钢制罐体的中幅板焊缝在焊接之前,可以固定住沿焊缝长度方向,在所有焊缝两端加垫板防止焊材在焊缝位置的部分发生翘曲;对于每条焊缝,在焊接前,可以在焊缝的垂直方向每隔3m用一定长度的背杠进行约束,背杠在全部焊完整条焊缝并冷却到室温后方可拆除。连接在钢制罐体的罐底与罐壁的角焊缝,可以由罐内、外沿同一方向分段焊接,但应在底圈壁板纵向缝焊完后才能开始。中幅板与边缘板间丁字焊缝先不焊接,待预留收缩缝焊接时一并焊接。