不锈钢大开孔变形控制

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1、4 2 金属材料的焊接 焊接技术2 0 0 1 年 1 2 月第3 0 卷第6 期文t幼号:1 0 0 2 -0 2 5 X ( 2 0 0 1 ) 0 6 - 0 0 4 2 - 0 3不锈 钢刮板冷凝器大 开孔 的焊接变形控 制李相明( 天津石化机械制造安装工程公司。天津3 0 0 2 7 1 )摘要剑板冷投器的制造由于未用不娇姻材质，制过精度高，又存在大开孔即立、外式倪体的角接接头，而使其难度加大，炸接变形的控制成为保证产品质圣的关健。本文针对不份钢刊板冷及器大开孔环接交形问瓜，分析了可能出现的坏接变形，制定了一系列有效的变形控制措施。通过采取措施。满足了 设计要求。摸索出制造此类产品的

2、成功经脸。关扭词:焊接资形;不诱钥刮板冷凝器大开孔;产生原因及控制中用赞份县7 Y . 4 0 4女桩坛 识码 :R2 0 0 1 年 4月，我公 司承接 了 6台刮板冷凝器的 制造任务刮板 冷凝器是聚醋装置 国产化关键设备之 一 ，主要材质为 O C r I 8 N i 9 ，结构如图 1 所示 .其主 要制造难点是大开孔的焊接变形控制。如图 1 所示 ，该设 备卧式筒体 内装有刮板 ，设 计要 求 刮板 与筒 体 间 隙为 1 0 t5 ) m m，并 且筒体 的直线度 不超过 4 m m，筒体 的椭 圆度公差 不超过 4 m m。这样 的制造精度本来就是很 难达到的 ，并且其 立式筒体

3、( d 二1 5 0 0. .) 与卧式筒体 ( d=1 6 0 0- ) 垂直相交 ，相贯线几乎 与卧式筒体直径相交。这样 大的管 口角接 ，在焊接过程 中产 生 的下塌和挠 曲变形 是不 可避免 的 。补强.二2 . 立简短节:3夹套管; 4 联轴节; 5 电动机; 6 减速机; 7城座;1 2大刮板;1 3筒休;1 4小刮板;1 5圈 t 侧板冲扭.的苗构示血.饮8 益:9 法兰:1 0 轴1不诱钥刮板冲凝臼大开孔娜接变形的产 生不锈钢具有导热系数小 ，热膨胀系数大的特点 ， 这就决定了在同样的情况下不锈钢的焊接变形 比碳钢 的变形更为明显。筒体开孔不但破坏 了筒体 的连续性 ，而且 削

4、弱 了 筒体的强度 ，所以很容易在焊接过程中产生变形 :一 是环缝的横 向收缩在板厚方 向上分布不均匀所 产生的 附加弯曲应力引起的角变形;二是环缝环向收缩引起 的径向收缩变形。这两种变形叠加就会产生塌陷和挠 曲变形。开孔直径越大 ，筒体强度 的削弱越加剧 ，焊收稿日 期: 2 0 0 1 -0 9 - 1 8缝越长，填充金属越多，造成焊接热输入量越大，变 形就越为严重 。开孔接管焊缝为封闭焊缝 ，其拘束度 比 自由接头 的大，焊后残余应力也大，焊接变形比较复杂。我们 借用圆盘镶块封闭焊缝所引起的焊接应力 ，对接管焊 接时的变形趋势加 以定性分析。在 直 径 d 二1 0 0 0 m m,厚度

5、 6 =1 2 m m的圆盘中心 开 d = 3 0 0 m 二孔，焊接 d = 3 0 0 m m镶块时产生的应力 分布情况如图 2 所示。由图可见，径向残余应力 o , 为 拉应力，切向残余应力 。在内板为拉应力，而且在焊 缝附近最大 ，由焊缝 向外板延伸逐渐降为压应力We l d i n g T e c h n o l o g y V o l . 3 0 N o . 6 D e c . 2 0 0 1 金属结构的焊接 4 3厅径向残余应力石少一切向残余应力圈2 口盘，块附闭哪组所引侣的娜接应力填充量就大，焊接热影响区也扩大。保证开孔尺寸就可以减小变形 。为 了 控制热愉 人量 ，不能采用

6、割炬切割开孔，应采用砂轮机冷切割的方法。坡 口采用内侧倒角 6 m m x 4 5 0 ，打底焊道必须采用 d= 3 . 2 m -焊条 ，保证焊透 。采用双面焊接以避免焊缝塌陷变形焊接时尽量采用小规范 、短弧焊 、快速不摆动的焊接方法 ，严格控制焊接线能量 ，禁止采用大规范的焊接方法焊接规范见表 1 o斑1娜接烟范炸条直径/ m m焊接电流/ 9 0一 1 0 09 0-1 0 01 3 0-1 4 0电弧电乐/ V 焊速/ I . . m , . - )2 2 -2 42 2 -2 42 2-2 41 3 0一1 5 01 3 0- 1 5 01 7 0 - 2 0 0望些40融1翩1曰1

7、额图 2 所示的应力分布规律的原因可用图 3 解释。 由于试板的对称性 ，故只需讨论半边试件总切应力 。 ， 由 P ,和 O ,z 叠加 而成 ，P , ， 是由焊缝切 向方 向收 缩引起的切向应力 ，。 。 是由内板 的纵向( 平轴方向)引起的切向应力 ;径向残余应力 v . 主要由板的径 向 二轴方向) 收缩所致 。施焊时要 采用分 段断续焊法 焊接顺序如图 5所不。6产 仁、 、减 少 局 部 热 量 集拼口 /、 门。 III : 十卜 才- 50 4 AR PI,共。内板 捍缝 外板内板外板( . b )圈3 回形娜绝内周向收.和径向收.引起的攻众应力圆盘镶块封闭焊缝引起的应力和变

8、形规律与开孔 接管焊接规律是一致的。根据 以上应力变形分析 ，可 以定性预测 :在接管焊接时将会 发生如图 4所示的变形下姗变形摸拟焊前形状圈4接.娜挂时的变形2制定防止焊接变形的工艺为了防止筒体在开孔 、焊接的过程中发生变形 ， 经过研究和试验 ，采用了一系列的防变形措施 ，制定出合理的工艺 。( 1 ) 减小线能量，防止变形焊接线能量的大小对于焊后 的冷却速度 、焊接熔 池的大小以及焊接热影响区的大小都有很大影响。因 此 ，从开孔 、点焊到焊接的整个过程中，随时控制热 输人量及线能量，以此作为防变形的主要手段。首先 ，在开孑 L 时划线留余量不能过大，应准确按 照划线开孔 ，不能超出线。开

9、孔过大 ，在焊接时金属每焊完一段焊缝 ，用刨锤击打焊道释放应力 ，以 减少变形。每焊完一层焊缝要采用水冷散热法降温， 将焊缝热量散去，减少受热面积 ，从而达到减少变形 的 目的。( 水冷散热法不适用 于焊接淬硬性 高的材 料! ) 层间温度控制在 1 0 0以下 ，保证焊缝呈金黄色，不应出现焊缝发蓝现象。在焊接时还应该注意焊脚以及焊缝余高 ，目的是 通过减少金属的熔敷量来减少焊接变形 。( 2 ) 使用工装 ，预制反变形成形控制从下料开始，严格控制 ，保证筒体 的尺寸。滚圆时严格把关 ，使椭圆度公 差不超过 4 m m 。从滚圆、点对一直到焊接的整个过程中。注意 对筒体的隔离和防护 ，以免 由

10、于外部碰撞引起椭圆度增加 。制造工装，预制反变形为了有效地防止如图 4 所示的焊接变形 ，除 了 控制线能量以外 .还根据以 往的经验制造了由弧板 、肋板和底板组成的工装，如图 6所 示工装分成上、下两部分，采用焊接结构。通过千 斤顶的支撑作用 ，弧板可以对筒体的圆度加以约束 ， 防止在焊接过程中筒体的径向变形 ;而肋板可以把整 个工装连接成两个有机的整体，既增加了稳定性 ，又 可以有效地对焊接过程中筒体的挠曲变形加以约束。 同时为了更好地控制挠曲变形，在筒体的两端便用两 个 8 = 2 0 m 。的环式支撑圈。将支撑圈固定筒休 上， 再用等长的四段槽钢和弧板式工装连接起来 ，在焊接 时这四段

11、支撑槽钢的拉力和支持力可以有效地控制挠曲变形4 4 金属结构的焊接 焊接技术2 0 0 1 年 1 2月第 3 0卷第6 期a 受力后易产生卸压 ) 这样 ，在 开孔 、焊接时 ，由于有 1 _ 装的约束 ，变形量很小 ，而这很小的变形量恰好 与 预变形相抵消 ，把变形控制到最小 。反变形法在 圆形 封 闭焊接接 头 中不仅可减 小焊 后变形 ，而且可 大大减 少焊接残余应力待焊筒体与工装如图 8 所示 、屯立夕6口回匡口巨 日匕口匡 回L匕口胜 口L胜I上半部; 2 弧板;3肋板 4 底板 5 子 斤顶位置; b 下半部圈b 工簇幼构示，圈通过 工装 ，先将筒体支撑 出一定的预变形 ，如图

12、7中虚线所示。用 5个千斤顶将工装之间的距离顶开 ( 千斤顶的位置见图 6 ) ，中间的用 5 0 c ,其余的 4个 用 2 0 t 螺旋式千斤顶 。( 不能使用液压千斤顶 ，因其l a变形盆口7反变形法一支排 柑匆( 8 段卜2朴强圈; 3短节;9 半部工装:1 0圈 吕4 . 支 排圈; 5 卜 半部工装: b支排圈叹个);7法兰: 8简体支排物 3 处) :” 千斤项( 5 台) ; 2 封头倍裸曲体与工装结构示宜圈变形量的确定是根据以往的经验。简体的预变形 最大直径为 1 6 1 2， ，焊后拆除工装 ，最终椭圆度 为 3 . 5 m m.完全符合设计要求。( 3 ) 合理安排工序在

13、大开孔开孔之前，首先根据短节的相贯线制 造补强圈。使用工装约束筒体，并使筒体产生一定的 预变形。然后在预定位置加焊补强圈，以增加筒体的 刚度，对开孔的变形加以约束，待补强圈的焊道冷却 后才可以开孔 、打磨坡 口。在焊接前 ，应该在短节的焊缝 附近位置增加一 个 S 2 0 - -的环状支撑圈，以增加短节 的刚度 ，防 止塌陷;在简体下面对应开孔位置垫上支撑物，以此防止筒体挠曲变形 。焊接时，首先采用多层多道焊的方法焊接外侧 坡 口，填平坡口。冷却后 ，用木锤敲击补强圈上焊道 周围，尤其是容易发生大幅度变形的相贯线最高、最 低位置，释放应力 ，然后去掉工装 ，焊内侧坡 口焊 缝 ，打磨焊道使之

14、与筒体内壁平齐。再重新加置工装 ，焊外侧角焊缝 ，保证焊脚 6. -焊接完毕 ，再用锤击法释放应力 ，拆除工装。如 果有微量变形或者椭 圆度不符合工艺要求 ，可以采用 机 械校正 力一 法 调整3结束 语大开孔焊接变形问题是压力容器生产中常见问 题 ，由于不锈钢热物理性能决定 ，不锈钢焊接变形较 之于低碳钢更为严重。只有通过工艺手段 ，尽量控制 变形量 ，使其能满足产品质量的要求在整个刮板冷凝器的生产过程中，采取了一整套 相应的防变形措施 ，使焊接变形得到了有效的控制 : 筒体椭 圆度控制在 3 . 5 m -左 右 ;筒 内壁到刮板的最大距离 l 3 m m，最小距 离 8 m m,偏差 1 0 m m，保证 了产品的设计尺寸和精度要求 。在刮板冷凝器的生产 过程中，采用外力约束 、焊前预变形和减少热输人量 方法有效地 防止 了焊接变形 ，为压力容器大开孔的焊 接摸索出了一套成功的经验 。