|
1. 概述 生产、建设安装行业以不锈钢中厚大环板作为预埋件、底座板及法兰的情况较为普遍。在环板上实施周向角缝焊接极易使环板发生锥度变形，如不能对焊接变形进行有效控制，会在焊后的机械矫正工序中难以顺利达到平面度技术要求，耗费大量精力，影响生产效率和施工进度。 一般在施焊过程中会使用变形控制措施的一种或几种，但如不能将各种方法有机结合、合理应用，则收效甚微。现以我公司贮罐支座预埋件（以下简称埋件）制作过程为例，说明不锈钢中厚度大环板制作过程中采用焊接工艺控制与刚性固定和反变形措施相结合的方式，对焊接变形良好控制，可不经矫正工序直接达到生产要求。 2. 产品概况 埋件由环板与锚筋组成，如图1所示。环板材质为022Cr19Ni10，厚度20mm，内径为1 260mm、外径为1 900mm，中间均布16个φ30mm排气孔；锚筋材质为022Cr19Ni10共40根，φ18mm，长度为650mm。锚筋分两层环布，内环均布16根，外环均布24根。  图1 埋件安装后所处环境温度为500℃左右，环板上面将垂直堆叠5个钢制贮罐高达30多米，须承受总重83.2t。如平面度偏差较大则直接导致上部设备产生较大倾斜而无法稳固垂直堆放，在长达10年的堆放期中容易破坏贮罐周围的槽钢轨道，导致贮罐不能顺利取出，故经计算要求平面度≤1.6mm。为保证下料过程中平面度要求，环板采用类激光等离子对6 000mm×2 000mm整板进行切割而成。 设计方要求焊缝形式为角接，焊条电弧焊焊接，焊角高14mm，焊接工艺为两层三道焊接，一层一道，二层两道。 3. 焊接变形分析 局部不均匀热输入是产生焊接应力和变形的决定性因素。环板的焊接应力和变形，如图2所示。  图2 不锈钢热导率低、热膨胀系数大等材料特性决定了其焊接过程中在较小的热影响区内分布的温度梯度大，其焊接变形也就较其他材料变形大、难以控制。由于不锈钢中厚大环板刚度小，容易变形，因此应采取层间控制的多道焊；以对称焊、跳焊调整锚筋焊接时序，减少单位时间内的热输入量，避免工件局部热量集中。 经分析，环板上锚筋角缝的焊接将导致沿锚筋各径向上发生角变形，其根本原因是焊缝横向收缩在厚度方向上的不均匀分布。焊缝正面的变形大，背面的变形小，这样就构成了构件平面的偏转。 环布锚筋焊接将对环板整体产生以下影响。 （1）周向变形 锚筋角缝焊接时焊缝根部及熔合线附近金属发生瞬态热变形，焊后冷却过程中，焊缝及热影响区金属开始收缩形成焊接残余变形，整个过程可视同在锚筋排布的环板上表面圆周产生连续拉应力，环板周向收缩最终将表现为整体锥度变形。如果先焊接内圈锚筋，焊接过程中角缝及熔合线附近金属受热不均造成压塑性变形，冷却后，室温下塑性变形与残余应力作用下的弹性形变使环板处于平衡状态。在环板外圈焊接时，外圈金属被加热至塑性变形和熔化状态时，环板外圈刚度被削弱，应力集中在此区域。此时内圈焊接时产生的焊接残余应力得到释放，并有较大的一部分转化为外圈区域的塑形变形；另剩余一部分残余应力，其作用下的弹性变形继续存在。伴随冷却，环板锥度变形加剧，残余应力增加；至室温后，总变形量达到最大，重新处于平衡状态。故以先对外圈锚筋进行焊接。 （2）径向（环板宽度）变形 锚筋焊接热循环过程中，焊接面高温区金属的热膨胀因受到焊缝周围及根部温度较低区域金属的阻碍，而产生压塑性变，焊缝根部金属被挤压形成凸起，加之高温区金属收缩，焊缝根部局部高于环板平面表现为角变形。锚筋焊接完毕后会在环板宽度上的体现为弧形变形，即表现为碗状。 4. 变形控制方法 综上所述，焊接变形是多种因素共同作用的结果，所以通过单一的措施对其进行控制往往收效甚微。所以，环板的制作应充分考虑各种变形影响因素，综合制定应对措施。 通过焊接工艺控制，从决定因素入手，减小焊接热输入，避免热量的不均分布。改变焊接时序使热输入在环板整体上较为平均，逐层逐道焊接，严格控制层间温度：将距离较近的内外圈锚筋两根分为一组，为保证均匀散热按照先外圈后内圈的顺序进行焊接；完毕后焊接180°对称侧另一组锚筋，同样按照先外后内的顺序；同时采取隔一组焊一组的分组跳焊法焊接余下锚筋直至40根锚筋一轮完成。每一轮只焊接一道，然后逐道焊接直至完成，焊接时注意控制层间温度应小于100℃。 通过采取上述措施，可达到有效控制锚筋角变形减小，环板整体变形的目的。 通过刚性固定增加环板本身刚度。刚性固定应用于10mm以下焊接形状较小的薄板，效果较好。对厚度12mm以上的大型焊接件由于不能完全消除焊接变形，但可以减小变形，所以如要避免机械校正必须结合其他办法。在环板边缘采用临时定位焊缝进行固定会获得极佳效果，但同时增加切割、打磨甚至补焊等后续工序，加大了工作量。若采用定位板和销子进行固定则便于调整，同时可以将刚性控制点向环板中心延伸，增强固定效果。 5. 变形控制验证试验 分别制作自由状态、刚性固定、刚性固定加弹性反变形三种状态下的环板模拟试件，记录焊后环板变形数值。变形测量点分布如图3所示，环板下料后即按图3进行永久性标记，焊接试验前后按对应点进行实测记录。环形试件与原产品件比例为1:1.5，厚度、材质与埋件相同，不设排气孔；锚筋数量共为24根，内圈10根均布，外圈14根均布，焊接工艺相同。因环板在吊运制作过程会产生一定变形，部分钢板存在一定固有变形，为准确反映焊接变形将其量化，试验前测量环板变形基数值并记录，以便对比。  图3 （1）自由状态焊接试验 在不加任何约束情况下制作3块环形试件来观察自由状态下变形趋势和变形量。焊接前用钢板尺测量平面度差异，并记入表格。先将环板与锚筋组对后进行焊接，焊接时使用正常工艺参数，但为使焊接变形显著便于观察，不控制层间温度，每根锚筋一次性焊接完毕再焊接下一根。先焊接内圈锚筋，整圈锚筋焊完后再进行外圈锚筋焊接。焊接试验完毕后待焊接件冷却至室温后，对环板相关位置变形量进行记录如表1所示。锚筋根部出现预期的凸起，符合变形分析。  由表1中数据可以证明，模拟试件实际焊接变形与第3小节分析吻合，且锥度变形较大，本身形状难以通过机械校正达到平面度要求。 （2）刚性固定 焊接前用钢板尺测量平面度差异，并记入表格。先将环板与锚筋组对点焊完毕，沿环板边缘用均布的马板和销子将其固定于不锈钢平台上（见图4），保证环板足够牢固后按上文所述办法施焊。焊接完毕后待环形试件冷却至室温进行测量，测量值如表2所示，环板内圈位置的平面度偏差数值为负且不满足平面度要求数值。  图4  模拟试件的制作采用刚性固定法，可在一定范围内减小焊接变形，但达不到埋件制作1.6mm平面度要求，仍需其他的变形控制措施辅助应用使焊接变形被控制在合理范围内。 （3）刚性固定加弹性反变形 焊接前用钢板尺测量平面度差异，并记入表格。先将环板于锚筋组对点焊完毕，在距离环板内圈边缘50mm处放置反变形用不锈钢圆钢，圆钢与环板之间用与环板同材质的薄不锈钢进行隔离防止擦伤环板表面；沿环板边缘用均布的定位板和销子将其固定于不锈钢平台上，保证足够牢固后按上文所述办法开始焊接。焊接完毕后待环形试件冷却至室温进行测量。将反变形量设定为6mm，按上述方法制作SJ-07后，经时效处理后测得环板内圈偏差值为0~+5mm，说明反变形量设置过大。将反变形量设定为3mm，继续试验制作SJ-08后，测得环板内圈偏差值为0~-0.7mm，时效后已符合制作要求。后经试验确定：当反变形量设定为4mm时获得效果为最佳，实测值如表3所示。  6. 应用效果 模拟试验件上周向的角缝焊接中发生的整体锥度变形，通过合理安排焊接工艺，结合应用刚性固定与弹性反变形措施，环板可获得良好的焊接变形控制效果，无须后续矫正工序，可应用在正式产品制造中（见表4）。  作者简介：田野等，中国核工业二三建设有限公司。 |
|
|
