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大面积薄板焊接变形的控制
论文关键词：大面积薄板 焊接变形 控制
论文摘要：在大面积薄板焊接工程中．焊接变形量的大小是衡量该工程成功与否的重要标志，也是工程质量好环的关键，因此控制焊接变形是人们十分重视而致力于研究的课题。本文就煤气柜底板焊接工程的成功经验和失败教训阐述控制薄板焊接变形的一些行之有效的方法及一些初浅的见解，旨在类似工程中借鉴和参考。
如何控制焊接应力和变形到最小是大面积薄板焊接中最关键的一个环节。控制大面积薄板焊接工程的焊接变形不能单一行事，而应综合治理。试验经验告诉我们，焊接工程中的焊接变形和焊后残余应力并不是两种孤立的现象。两者之间的联系是有机的，它们同时存在于同一焊件，相辅相成而又相互制约。大面积薄板焊接焊缝形式主要为对接和搭接。但这两种焊缝形式产生的变形基本一样，出产生横向收缩和纵向收缩外，如图一、二所示，还会产生失稳翘曲变形如图三所示，即常见的薄板焊接后产生的鼓包。
图一 焊接横向收缩 图二焊接纵向收缩
图三 焊接失稳翘曲变形
在实际工程中要想获得最佳的理想状态。使三种方式的应力和变形合理分布在该结构中，使之相互制约、相互控制，正负压力保持在一个平衡的状态下。这一是控制大面积薄板焊接工程中焊接变形的有效途径。本文一工程中常见的曼型煤气柜的底板焊接为例进行分析。
1、以10万立曼型煤气柜的底板为例
煤气柜底板焊接工程是十分典型的大面积薄板焊接工程。底板面积为1586.27m2，焊缝总长为 。底板由中心板和内外环板组成。中心板和内环板为δ=5mm厚钢板组成，外环板为δ=8mm钢板组成。钢板材质均为Q235B。底板的结构形式如图四所示。
图四 罐底板焊接布置图
2、技术难点
面积大，板比较薄，内外环板厚度不一致，为厚板与薄板对接，规范要求底板的平面度不大于D/500，且不大于60mm。这就要求在施工时根据理论与施工经验来制定严格的施工工艺，稍不注意就会使产生较大的凸起，给后续施工带来很大的麻烦。重新修理难度较大，同时会使生产大大地增加。而此问题的产生原因归根到底就是由于焊接工程中由于对焊接应力和变形产生的机理不了解，不能合理地安排施工工艺而导致的结果。因此，合理的施工工艺安排，是在掌握其产生机理原理分析的基础上产生的，也就是要理论与实践要相结合。
[1]
3、焊接工艺及剖析
(1)分析焊接应力和变形产生的机理、影响因素及其内在联系
如下图四所示，给出了引起焊接应力和变形的主要因素及其内在联系。
图五 引起焊接应力于变形的主要因素及其内在联系
由图可看出，焊接时局部不均匀的热输入是产生焊接应力与变形的决定因素。而热输入是通过因素、制造因素和结构因素所构成的内拘束度和外拘束度而影响热源周围的金属运动，最终形成焊接应力的变形。从图可以看出，材料因素主要为材料特性、热常数及力学性能（热膨胀系数α=f（t），弹性模量E=f（T），屈服强度σs= f（T），σs（T）=0的温度，Tk或称“力学熔化温度”以及相变等），在焊接温度场中，这些特性呈现出决定热源周围金属运动的内拘束度。制造因素（工艺措施、夹持状态）和结构因素（构件形状、厚度及刚性等）则更多地影响着热源金属的外拘束度。随焊接热过程二变化的内应力场和构件变形，称为焊接瞬态应力与变化。而焊后，在室温条件下残留于构件中的内应力场和宏观变化，称为焊接残余应力与焊接残余变形。
由于焊接应力和变形问题的复杂性，在工程实践中往往采用试验测试与理论分析和数值计算相结合的方法来掌握其规律，以期能达到预测控制和调整焊接应力与变形的目的。
（2）工艺措施及剖析
根据多年的实际经验和理论分析结果，不管哪种形式的底板，在焊接工艺上采取的工艺措施大致相同，其主要措施有：
① 先焊短焊缝后焊长焊缝，采取分段退焊，由内向外依次进行。
② 中心板和内环板之间的焊缝，可由数名焊工均布对称施焊，并可同时进行。
③ 内环板与外环板的搭接焊缝暂时不焊，留待底层壁板与内环板角焊缝施焊完毕后在进行焊接。
其防焊接应力与变形的主要原理要点是：
① 焊接后自由收缩
② 减少焊接区与整体结构之间的温差
③ 使焊接应力尽量减少并均匀布置
（3）工艺措施的具体剖析
以图一为例分析
① 先焊短焊缝后焊长焊缝的基本原理
如图中的中心板3、4、5短缝，将其由内向外焊接为一体，可自由收缩为一整体长条。同理，焊完所有短缝，所有中心板都成为焊接后得到自由收缩、基本无应力的若干长条。然后再将个长条由内向外连接起来，也属于在自由收缩状态下成型，这样焊接应力很小，变形也很小。
反之，若先焊长缝A、B，则将Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四板皆固定在A、B两长缝上，然后再去焊3、4、5短缝，三段缝必收缩，收缩时却受到A、B长缝的限制而不能自由收缩，热胀时产生压应力，收缩时产生拉应力，因而存在较大的焊接应力，会产生很大的变形。整个底板若都这样焊接或无次序地焊接，底板会产生更大的变形，定会导致底板大量的凸起变形，严重的甚至会报废，造成重大的质量事故。
[2]
② 所有焊缝均采用分段退焊法、由内向外依次基本原理
a、分段退焊基本原理 分段退焊的原理与间歇焊和减少焊接线能量的原理基本是一样的，主要时缩小焊接区与结构整体之间的温差，从然减少变形；同时由于头尾相接的焊接顺序，前一段焊缝刚冷却下来，后一段焊缝的热量就会给前一段一部分，使其得到一次退火的机会，同时减小了前后的温差，因而消除应力、减少变形。根据实践经验，底板的分段退焊，应以一根焊条为一个循环，一根焊条约焊200mm，这样要比500mm~600mm一个循环变形要小的多。这样焊的缺点是接头增加，降低美观程度，但比变了形再去处理变形要合算的多（连续焊的接头少且平滑）。
b、由内向外依次进行的基本原理 如图中的短缝3、4、5，应先焊4缝，然后再焊3或5缝；长缝A、B，应先焊A后焊B。因为两板相焊，焊缝会产生横向收缩和纵向收缩，又因内部是封闭部位，外部属自由端（越往外越明显），由内向外可使焊缝的横、纵焊缝自由收缩；反之，若先焊外，自由端被固定，在焊内部时，焊缝的横、纵向收缩都会受到限制，因而产生较大应力，从而产生较大变形。
③ 底层边板与外环板的角焊缝焊完后再焊内外环板之间的对接焊缝
在讨论此焊接顺序原理之前，请看一个受热变形的实例，如图六所示。
图六 气割周边受热形成的中凸变形
在一张δ=5mm厚的原平板上割下一个φ300mm的圆板，割完后便出现中凸变形，这是因为边缘受热后收缩，相对中部伸长，即常说的中部松边缘紧。根据此例可以相应的分析：壁板与焊缝有两条，一条是图一所示边板与外环板的焊缝①、②缝，一条时内外环板之间的焊缝CD缝，若先焊CD缝，再焊①、②缝，这三条焊缝所产生的收缩量全部叠加在整个底板的边缘上，比引起底板的中凸变形；若先焊①、②缝并自由胀缩全冷后再焊CD缝，此时只有CD一道缝的收缩量时底板产生中凸变形，因而可最大限度减小变形量。
④ 由多名焊工均布对称施焊的基本原理
在探讨此原理之前，请看图七，由于不对称受热而引起变形，长条板不对称受热而引起变形。在底板的焊接中也要由多名焊工均布对称施焊，这样可以防止由于不对称受热引起偏心力而引起变形，若对称受热，即使有应力存在，也不会引起变形，且越往外越明显，这是因为两侧的应力相等而又有足够的宽度，不会使中心板产生弯曲。
图七 钢板不对称受热产生的变形
4、结论
工程实践告诉我们，大面积薄板焊接的应力和变形的控制必须综合治理。此工艺经实践证明对薄板焊接的应力和变形能有效地控制。但在工程实际的运用中还应具体问题具体分析，不断地进行修改，以达到最优的效果。
参考文献
陈祝年 焊接工程师手册 出版社 2002.1 焊接手册 第三卷，焊接结构/中国机械工程学会焊接学会 2001.8 翟洪旭 翟艺铭 翟润雪 实用铆工经验与窍门精选 机械工业出版社 2005 傅荣柏 焊接变形的控制技术 机械工业出版社 2006[3]
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