于磊/中國一重核電石化事業(yè)部

板焊容器筒節(jié)內(nèi)壁堆焊變形規(guī)律研究

于磊/中國一重核電石化事業(yè)部

隨著公司產(chǎn)品多樣化、復(fù)雜化，很多產(chǎn)品是大直徑、薄壁、內(nèi)壁全堆焊結(jié)構(gòu)。筒節(jié)內(nèi)壁堆焊一般采用技術(shù)成熟的電渣焊堆焊。帶極電渣堆焊熔敷效率高、稀釋率低，焊縫成型美觀。但ESW不可避免的大電流、高熱輸入，使得一些薄壁大直徑剛度較小的筒節(jié)在堆焊后可能存在軸向和徑向收縮，引起筒節(jié)尺寸精度降低，增加環(huán)縫組裝難度，造成筒節(jié)與封頭組對錯(cuò)變量增大，同時(shí)影響殼體內(nèi)件的裝配。因此對內(nèi)壁堆焊結(jié)構(gòu)堆焊變形規(guī)律進(jìn)行研究，提前對筒節(jié)尺寸留有合適的收縮量，或采用較窄帶進(jìn)行堆焊以保證筒節(jié)的最終尺寸精度，有很大的意義。

一、堆焊變形的原因分析

焊接過程中，在焊接熱源的作用下，焊縫及近縫金屬經(jīng)歷了一次焊接熱過程。構(gòu)件局部經(jīng)歷了焊接熱過程造成整體構(gòu)件溫度不均勻，冷卻后在構(gòu)件內(nèi)部產(chǎn)生殘余焊接應(yīng)力。對于剛度小的構(gòu)件，為平衡構(gòu)件內(nèi)應(yīng)力，可能引起焊接變形，殘存與焊接區(qū)域的殘余焊接拉應(yīng)力會引起構(gòu)件產(chǎn)生收縮，降低焊件的尺寸精度。焊接熱輸入越大，焊后構(gòu)件中殘余應(yīng)力和殘余焊接變形越大。對于多層多道焊，焊后構(gòu)件中的焊接殘余應(yīng)力及可能產(chǎn)生的焊接變形更是不可忽略[1]。

熔敷效率高時(shí)電渣帶極堆焊的優(yōu)點(diǎn)之一。但高的熔敷效率是通過提高電流密度來保證的，即高的熱輸入。電渣帶極堆焊焊接時(shí)平均電流密度為30-60A/mm2，最佳電流密度40A/mm2[2]。實(shí)際焊接過程中，不同寬度的電極使用的電參數(shù)如表1所示，可見焊帶越寬，焊接時(shí)熱輸入越大。研究表明，同樣規(guī)格的焊帶電渣帶極堆焊是埋弧帶極堆焊電流的1.5倍[2]。

表1 帶極電渣堆焊不同規(guī)格焊帶使用電參數(shù)

二、筒節(jié)堆焊變形測量

觀察筒節(jié)堆焊收縮量，需要對筒節(jié)堆焊前后可能受堆焊變形影響的典型尺寸進(jìn)行測量記錄，以研究筒節(jié)堆焊變形規(guī)律，具體見表2，3，4。

筒節(jié)徑向收縮量測量：如圖1所示，選取筒節(jié)長度方向Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三個(gè)區(qū)域用盤尺對筒節(jié)外徑進(jìn)行測量。筒節(jié)堆焊前、TP309L堆焊后、TP347L堆焊后進(jìn)行三次測量。通過比較筒節(jié)堆焊前、堆焊后外徑變化，了解筒節(jié)內(nèi)壁堆焊對徑向尺寸收縮的影響。第一次測量后用石筆記錄測量位置，保證三次測量在同一位置，并且每次測量筒節(jié)表面溫度在室溫。

筒節(jié)軸向收縮測量：筒節(jié)堆焊前、堆焊309后，堆焊347后各測量一次筒節(jié)軸向長度的變化，每次測量筒節(jié)表面溫度在室溫。

筒節(jié)內(nèi)壁堆焊后橢圓度測量：如圖1所示，在筒節(jié)端面選取1、2、3、4四個(gè)點(diǎn)測量徑向尺寸，筒節(jié)堆焊前、堆焊309后，堆焊347后各測量一次。變化尺寸變化進(jìn)行測量，對筒節(jié)堆焊后收縮進(jìn)行研究。第一次測量后用石筆記錄測量位置，保證三次測量在同一位置，并且每次測量筒節(jié)表面溫度在室溫。

圖1 筒節(jié)堆焊變形測量標(biāo)記示意圖

筒節(jié)堆焊變形規(guī)律分析

通過對不同規(guī)格尺寸的筒節(jié)堆焊前后變形的測量，得出全堆焊板焊筒節(jié)使用帶極電渣堆焊變形規(guī)律，結(jié)論如下：

板厚在92以上的筒節(jié)堆焊時(shí)，使用75帶堆焊時(shí)堆焊外圓周長收縮量小于0.06%，橢圓度在3mm以內(nèi)，筒節(jié)長度收縮在2mm以內(nèi)，變形量在公差范圍之內(nèi)，堆焊時(shí)的變形可以不予考慮。

認(rèn)為此規(guī)格筒節(jié)采用規(guī)格為0.4× 75mm的焊帶進(jìn)行電渣焊內(nèi)壁堆焊可行。

板厚40的筒節(jié)內(nèi)壁堆焊，使用75帶堆焊時(shí)，筒節(jié)外圓周長最大收縮達(dá)33mm，影響了筒節(jié)環(huán)縫、及筒節(jié)與封頭的裝配精度，裝配后錯(cuò)變量較大，焊接后需要機(jī)械修磨至圓滑過渡，降低生產(chǎn)進(jìn)度，增加制造成本。因此，板厚≤40mm的筒節(jié)在進(jìn)行帶極電渣堆焊，盡量避免采用0.4×75mm，建議選用焊接規(guī)格較小的0.4×50mm或0.4×37.5mm焊帶。同時(shí)在焊接時(shí)控制焊接規(guī)范，在保證焊接質(zhì)量的前提下采用小的規(guī)范焊接，以降低焊接熱輸入減小焊接變形。

四、保證全內(nèi)壁堆焊結(jié)構(gòu)筒節(jié)尺寸精度的方法

研究堆焊收縮量的最終目的是保證筒節(jié)堆焊后的最終尺寸，從而保證產(chǎn)品質(zhì)量。具體措施如下：

對于壁厚δ≤40mm的筒節(jié)，采用50或37.5帶堆焊以降低焊接熱輸入，從而減少堆焊收縮量，同時(shí)在焊接過程中在保證焊接質(zhì)量的前提下，采用小規(guī)范焊接，控制道間溫度。

對于薄壁大直徑容器，為提高生產(chǎn)效率仍采用75帶堆焊，可以在筒節(jié)下料時(shí)留有一定的堆焊收縮量。建議筒節(jié)下料時(shí)，保留筒節(jié)曲形碾長量，用來彌補(bǔ)堆焊的收縮。

五、總結(jié)

分析薄壁大直徑筒節(jié)內(nèi)壁堆焊后產(chǎn)生變形的原因時(shí)由于，薄壁大直徑筒節(jié)剛度較小，經(jīng)歷了熱輸入量大電渣帶極堆焊后，產(chǎn)生了徑向收縮變形；

對壁厚為92mm、100mm、40mm的三個(gè)產(chǎn)品筒節(jié)堆焊前后的尺寸徑測量，分析各自的變形規(guī)律，厚度在92mm以上的筒節(jié)，采用0.4×75mm的焊帶堆焊時(shí)堆焊收縮量小于7mm，可以不予考慮；

板厚在40mm的筒節(jié)堆焊后外圓周長收縮33mm，對筒節(jié)環(huán)縫裝焊產(chǎn)生影響，需要采取一定的措施保證筒節(jié)直徑尺寸及環(huán)縫裝配精度。板厚在40mm以下筒節(jié)堆焊考慮采用0.4×50mm或0.4×37.5mm的焊帶進(jìn)行堆焊，以減少焊接收縮量；

確定不同厚度的筒節(jié)的保證尺寸進(jìn)度的具體方法，對于堆焊后存在較大收縮量的筒節(jié)，可以采用較窄的焊帶堆焊，或者在筒節(jié)下料時(shí)留有一定的收縮量。

六、今后研究方向

根據(jù)車間產(chǎn)品特點(diǎn)，分析其他規(guī)格筒節(jié)內(nèi)壁堆焊變形情況，并總結(jié)變形規(guī)律，提出相應(yīng)較少堆焊收縮變形的方法。

對堆焊起始位置不同對筒節(jié)堆焊后變形規(guī)律的影響進(jìn)行研究。

【1】方洪淵.焊接結(jié)構(gòu)學(xué)。機(jī)械工業(yè)出版社，5-128.

【2】張良成，印鶴平.工藝參數(shù)對帶極電渣堆焊的影響.中國化工設(shè)備，22-333.

（注：本文中的表2～表5內(nèi)容，請見下頁。）

表2 R12305601筒節(jié)堆焊變形測量結(jié)果(筒節(jié)基本參數(shù)：材質(zhì)：12Cr2Mo1R，內(nèi)徑：Φ2013mm，壁厚：92mm，堆焊層厚度：6.5mm，焊帶規(guī)格：0.4×75mm) 堆焊后變形量總結(jié)：筒節(jié)外圓周長減小了4mm，收縮量0.06%；橢圓度在5mm以內(nèi)，與堆焊前變化不大；筒節(jié)長度減小2mm，在筒節(jié)長度要求范圍內(nèi)。

表3 R12305501筒節(jié)堆焊變形測量結(jié)果(筒節(jié)基本參數(shù)：材質(zhì)：12Cr2Mo1R，內(nèi)徑：Φ3000mm，壁厚：100mm，堆焊層厚度：6.5mm，焊帶規(guī)格：0.4×75mm)堆焊后變形量總結(jié)：筒節(jié)外圓周長收縮了7mm，收縮量0.07%，存在堆焊鉻鉬鋼凸臺時(shí)收縮量較大，達(dá)14mm；橢圓度在4mm以內(nèi)，與堆焊前變化不大；筒節(jié)長度減小2mm，在筒節(jié)長度要求范圍內(nèi)。

表4 R12305208筒節(jié)堆焊變形測量結(jié)果(筒節(jié)基本參數(shù)：材質(zhì)：14Cr1MoR，內(nèi)徑：Φ3312mm，壁厚：40mm，堆焊層厚度：6mm，焊帶規(guī)格：0.4×75mm)堆焊后變形量總結(jié)：筒節(jié)外圓周長最大減小了37mm，收縮量0.35%；堆焊后筒節(jié)橢圓度5mm，在要求范圍內(nèi)。

表5 R12304908筒節(jié)堆焊變形測量結(jié)果(筒節(jié)基本參數(shù)：材質(zhì)：12Cr2Mo1R，內(nèi)徑：Φ3013mm，壁厚：146mm，堆焊層厚度：6.5mm，焊帶規(guī)格：0.4×75mm)堆焊后變形量總結(jié)：筒節(jié)外圓周長最大減小了8mm，收縮量0.27%；堆焊后筒節(jié)橢圓度4mm，在要求范圍內(nèi)。

表2

表3

表4

表5