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? 這是金屬加工（mw1950pub）發(fā)布的第11415篇文章
近期某公司承接了一批WNS系列鍋爐，其管板厚度達(dá)到22mm，直徑都在3000~3500mm，而該公司采購的鋼板寬度為2500mm，這樣管板都要進(jìn)行拼接，拼縫長度在3000~3500mm，焊接方法為埋弧焊。以前，該公司拼接的厚管板，焊接之后都會出現(xiàn)角變形（見圖1），為了滿足管板平面度的要求，都要在壓力機(jī)上采用機(jī)械矯正的方法對管板進(jìn)行校平，由于該公司的壓力機(jī)平臺寬度尺寸所限，本次即將焊接的管板嚴(yán)重超寬，將無法進(jìn)行校平。如果不解決管板焊接角變形問題，將會直接影響到產(chǎn)品的制造質(zhì)量、制造工期等。
為了解決管板角變形量超標(biāo)的問題，該公司組織攻關(guān)小組，經(jīng)過理論分析和現(xiàn)場試驗，采取了有力的措施：焊前利用鋼板的重力預(yù)留反變形余量、合理調(diào)整焊接參數(shù)、采用重力自重法焊接，從而保證每塊管板焊后基本無角變形，結(jié)果都滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求（按GB/T 16508.4—2013第4.4.5.4的規(guī)定，管板平面度為≤10mm[1]）。金屬的強度是隨溫度的變化而變化的，對于碳素鋼來說，當(dāng)加熱溫度超過700℃時，其屈服極限幾乎為零，對變形沒有任何抗力。因此，焊縫及焊縫附近加熱溫度超過700℃的金屬，由于其伸長受到兩側(cè)金屬的阻礙而產(chǎn)生的壓縮變形全部為塑性變形，這種塑性變形的產(chǎn)生，正是造成焊件在冷卻后產(chǎn)生焊接殘余變形的原因[2]。對于厚板，焊接時焊件正面加熱溫度較高，焊件在加熱過程中產(chǎn)生壓縮塑性變形。冷卻時正面所產(chǎn)生的收縮變形比較大，而背面的收縮變形則比較小，這樣在厚度方向上不均勻的橫向收縮變形就會引起角變形。另外，厚板在焊前都要開坡口，特別是對于單面坡口，焊縫的截面總是上寬下窄，因而橫向收縮在焊縫的厚度方向上分布不均勻，上面大、下面小，結(jié)果就形成了焊件的平面翻轉(zhuǎn)，兩側(cè)向上翹起一個角度。2 角變形對焊接結(jié)構(gòu)的不利影響（1）降低管板的承載能力。對于管板有角變形的部位，一般都有比較大的應(yīng)力集中，在外載荷作用下，這些部位會產(chǎn)生更大的應(yīng)力集中和附加彎曲應(yīng)力，嚴(yán)重時甚至?xí)?dǎo)致接頭的低應(yīng)力脆性斷裂，造成整個結(jié)構(gòu)的破壞。（2）增加企業(yè)制造成本。由于焊接角變形，使得管板的平面度達(dá)不到設(shè)計要求，所以必須進(jìn)行矯正，平時采用的是機(jī)械矯正法，在壓力機(jī)上對其進(jìn)行矯正，這樣就使得制造周期加長，成本增加；同時在矯正角變形時，接頭必然有部分金屬產(chǎn)生塑性變形而造成加工硬化，使得該區(qū)域的塑性降低。（1）焊縫長度與數(shù)量。焊縫越長、數(shù)量越多，熱源在焊接過程中對焊件的熱作用就越大，接頭區(qū)域金屬在加熱過程中壓縮塑性變形也越大，因此焊件在冷卻后不但變形增大，還有可能使變形變得復(fù)雜。因此，減小焊縫長度，減少焊縫數(shù)量，不僅能夠有效地減小焊接變形，還可以減小結(jié)構(gòu)的焊接應(yīng)力，縮短結(jié)構(gòu)的制造周期。（2）裝配間隙與坡口形式。裝配間隙越大，坡口截面需要填充的面積大，則填充金屬量也越大，因而冷卻時的收縮量也越大，焊件在焊后產(chǎn)生的焊接變形也就相應(yīng)變大。在相同條件下，幾種常用典型坡口形式焊接變形量大小的比較如圖2所示。 （3）焊接熱輸入。焊接接頭金屬在焊接熱源加熱過程中產(chǎn)生的壓縮塑性變形越大，焊件在冷卻后產(chǎn)生的焊接變形也越大。由于熱輸入與這種壓縮塑性變形成正比，即熱輸入越大，焊接接頭金屬在焊接加熱過程中的壓縮塑性變形也越大，因此熱輸入越大，焊接變形就越大。（4）焊接層數(shù)與道數(shù)。當(dāng)接頭既可以單道焊又可以多層多道焊時，單道焊的焊接變形就比多層多道焊大。這是因為單道焊時熔敷金屬是一次性將坡口填滿的，所以焊接接頭金屬在收縮時是在整個厚度上同時進(jìn)行的；而多層多道焊時，已冷卻的熔敷金屬使得接頭的剛度增大，在之后的焊道焊接時，焊件收縮變形受到的拘束增大。因此，隨著焊接層數(shù)、道數(shù)的增加，后焊焊道所引起的變形越來越小，焊件最后的焊接變形主要是由先焊焊道所造成的。（5）多層多道焊的焊接順序。為了防止角變形，厚板對接接頭有時選擇對稱的坡口形式，但當(dāng)焊接順序不合理時，仍有可能產(chǎn)生較大的角變形，如圖3所示。 （6）采用分段焊、跳焊及退焊。這些方法只適用于焊條電弧焊、CO2氣體保護(hù)焊等手工操作的焊接方法。對于埋弧焊來講，這種方法不適用，因為在起弧和收弧接頭處，沒有手工操作好控制，容易造成焊接缺陷。通過上述理論分析，針對該公司的產(chǎn)品特點，采取了利用鋼板的重力預(yù)留反變形、采用自重法焊接、合理選擇焊接參數(shù)等方法，在一管板上進(jìn)行試驗。試驗用管板材質(zhì)Q355R，厚度為22mm，管板采用兩張板拼接，板寬度分別為2500mm、1000mm，焊縫長度為3500mm，采用埋弧焊進(jìn)行焊接，焊接材料為φ4mm的H10Mn2焊絲與SJ101焊劑。（1）組對。鋼板組對時，為減小焊接變形及不產(chǎn)生焊穿的情況，保證坡口間隙為0~1mm、鈍邊，坡口角度如圖4所示。 
?注：組對時不需要預(yù)留反變形余量，錯邊量控制在0~2mm。（2）預(yù)留反變形。反變形的形成：利用鋼板的重力作用，自然形成，從而使正面焊后角變形不太大（見圖5b）。采取措施：焊劑墊應(yīng)支撐焊縫，使焊縫的位置高于兩側(cè)支撐10mm，正面焊后焊接角變形為0.85°（見圖5c）。（3）焊接。焊接時，選擇合理的焊接參數(shù)，采用多層多道、正反面施焊，同時正確放置支撐位置，以減少焊接角變形的產(chǎn)生。正面焊接：為了減小焊接角變形，焊接時，焊接電流不能太大，特別是第一道焊縫。焊接參數(shù)見表1。背面焊接：采用自重法焊接，此時焊劑墊不能支撐焊件，兩側(cè)支架支撐鋼板（兩側(cè)支架高度應(yīng)當(dāng)一致），使焊件懸空（此高度約為10mm，見圖5d）。這樣在焊接過程中，利用鋼板的重力，使焊縫及熱影響區(qū)溫度高的部位發(fā)生塑性變形，從而完全或基本抵消正面焊接殘余角變形。另外，背面焊接時，焊工應(yīng)根據(jù)正面焊接時角變形的大小來調(diào)整焊接參數(shù)，如果正面角變形量大，則在背面焊接時應(yīng)采用較大的焊接電流，同時使支架遠(yuǎn)離焊縫中心線；反之，如果正面焊后角變形量小，則焊接時降低焊接電流，支架應(yīng)靠近焊縫中心線。a）組對定位焊固定 b）正面焊接前反變形 c）正面焊接后的變形 d）背面利用自重法焊接 圖5 預(yù)留反變形 焊后對此管板角變形進(jìn)行測量，角變形量為0.11°，平面度為2mm（滿足GB/T 16508.4—2013第4.4.5.4的規(guī)定，角變形量≤0.57°，管板平面度≤10mm）。采用上述方法，對該公司制作的共10臺產(chǎn)品，其余19件大直徑管板進(jìn)行拼接焊接，這些管板的角變形量在0.05°~0.11°，平面度在1.22~2mm，都達(dá)到了焊接角變形很小的良好結(jié)果，滿足了相關(guān)制造標(biāo)準(zhǔn)的要求。綜上所述，埋弧焊在鍋爐壓力容器制造企業(yè)是一種常用的焊接方法，隨著產(chǎn)品制造尺寸的大型化，厚板長焊縫的拼接是常規(guī)現(xiàn)象。在制造過程中，采用焊前利用鋼板的重力預(yù)留反變形余量、合理調(diào)整焊接參數(shù)、采用重力自重法焊接，就能避免板狀對接焊縫角變形過大，使此類焊縫的角變形量控制在標(biāo)準(zhǔn)要求的范圍內(nèi)，從而能大大提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)企業(yè)的制造成本。本文發(fā)表于《金屬加工（熱加工）》2020年第6期，作者： 楊曉敏等。
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