浅析焊接钢制罐体焊接应力与变形的控制应用
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摘要 钢制罐体在焊接过程中常会产生应力与变形，本文主要分析其产生的原因，根据罐体施工原理，提出“三段式”控制模型，以保证焊接钢制罐体的质量。
关键字 焊接；钢制罐体；焊接应力，消除，变形；控制
中图分类号 TG404 文献标识码 A 文章编号 1673-9671-（2013）012-0151-01
钢制罐体在焊接过程中产生的应力与变形容易使罐体表面形成各种裂纹，并造成热应力脆化，严重影响罐体的刚度、强度、抗压力、稳定性及加工精度。而焊接后的矫正措施，也会增加施工成本，减少效率；因此研究如何控制焊接应力和变形是极为重要的。
1 焊接应力与变形的基本原理
1.1 焊接应力原理与分类
焊接应力，也称焊接残余应力，是指在不均匀的加热和冷却的焊接过程中，焊缝在冷却至原始温度时，接头区及离焊缝较近处的拉应力与焊件主体的压应力区数值达到平衡的应力状态。焊接应力可按焊缝长度方向分为纵向，横向及径向焊接应力；按照应力分布范围可分为宏观、微观及超微观应力；根据空间结构可分为单向、双向和三向应力，根据形成应力原因可分为温度、拘束和组织应力；根据作用时间可分为瞬时和残余应力。
1.2 焊接变形的原理与分类
焊接变形是在焊接应力作用下， 焊件因约束较小会产生相应的尺寸变化或弯曲、翘曲变形。其中焊接变形可分为自由变形，以及外观与内部变形；焊接残余变形可分为纵向或横向收缩变形、弯曲变形、角变形、波浪变形以及错边变形。
2 钢制罐体焊接过程中应力与变形的“三段式”控制模型
2.1 钢制罐体焊接施工过程与现象描述
钢制罐体（以圆筒形为例）施工，按照施工流程顺序分为顺装法和倒装法，以倒装法为例，其施工流程主要为施工准备，基础验收；底板铺设 ，组对焊接圈壁， 罐顶组对焊接，安装倒装机具环缝焊接，罐底焊接；焊后处理验收，如充水试漏、防腐保温等。
罐体的纵缝在对接过程中，纵向应力分布规律为2端为压应力，中心部分为拉应力的横向应力，压应力的最大值比拉应力大得多，焊缝长度对横向应力有影响，长焊道中心部分的拉应力有所降低。在焊接工艺流程中，罐顶搭接焊缝易发生角变形，罐壁板对接成纵焊缝与环焊缝，都易发生角变形和局部凹凸变形，罐底对接焊缝易发生凹凸变形。
2.2 应力分布与变形原因
钢制罐体的焊缝焊接次序有先与后，先焊先冷却，后焊后冷却，焊接时先冷却的焊缝限制后冷却的焊缝的收缩，因此应力与焊接顺序、方向、方法有关；焊缝的分段焊接，如由中部向两端焊，则中部先收缩为压应力，2端后收缩为拉应力；温度沿径向分布不均，表面先冷却先收缩阻止中间后冷却后收缩时，使中层受拉， 外层受压；纵向也存在不均匀的温度场，使得近焊缝处受压应力，离远焊缝较远处受拉应力。
焊接变形主要由焊接时的内应力和局部不均匀加热和冷却而引起，不均匀的受热产生自由膨胀收缩与热源移动，使高温区受过高压应力产生压缩塑性变形，冷却后长度偏短。钢制罐体焊接过程中易产生体积收缩，使得焊缝纵向收缩产生压应力， 横向收缩造成角变形， 甚至会使底板产生波浪变形。 在焊接时高温至熔点再冷却后，钢制罐体组织会发生变化，由于比容不同而引起变形。焊接变形其大小与焊接线能量有关，随线能量增大使得压缩塑性变形区增大而使变形增加。
当然在焊接过程中，焊接应力和变形会受到焊接工艺、接头与坡口角度形式、罐体间隙、对口质量、焊接速度和顺序等的影响。
2.3 “三段式”控制模型
根据钢制罐体的施工过程，为了控制好焊接应力与变形应该着眼于焊接施工过程的每一个环节，这里我们可分为三段进行控制。
2.3.1 选材与焊缝设计控制
在焊接前，应做好施工准备和基础验收，可根据罐顶、罐壁、罐底的材料尺寸进行相应的焊缝设计。考虑到钢制罐体由钢板（弓形边缘板、中辐板）搭接而成，设计焊缝时，多采取双边对称或由中心向四周的辐射对称模式布置，一般选择刚性较小的接头形式以及规范的尺寸（如罐底搭接部位预留收缩余量设计），使得焊接能够均匀同步进行。
2.3.2 施工控制
在施工的过程中，首先要合理分析变形与应力的方向、量值以及相关的变化规律，从而选取合理的焊接方法与工艺流程，使焊接应力与变形在合理范围，控制力度趋于最小。钢制罐体常采用分段、分层以及对称焊接方法和半自动CO2保护焊工艺，以抵消焊接前的预变形，并使焊接效率相对高一些。在进行分段分层施工时，尤其要注意罐顶、罐壁和罐底的施工工艺与过程控制。
罐顶焊接时，焊缝应采用最小焊角高度和截面尺寸，优先选用半自动CO2保护焊工艺可使能量集中、热输入降低，且采用直径为1.5mm的焊丝可减少熔敷系数；对于罐顶的28个分瓣搭接，要合理的分为7个作业区域，按照焊接顺序，进行等速度同步的精心对称施工，可较好的控制变形；同时在采用倒装施工时，可利用外力作用反变形法抵消焊接变形，其基本原理是第一圈壁板先组对，钢制脚手杆由焊缝中部向外支撑固定。
罐壁焊接时，焊缝的坡口型式决定了其应力与热输入量大小，钢制罐体的对接焊缝易选用纵缝带钝边与环缝的下侧钢板不开坡口的单边V型坡口型式，使得热输入量最小，以降低变形；罐壁的8张钢板组对，形成8条纵缝和8个分区的环缝，可自下而上，按顺时针进行同步对称焊接，以抵消焊接应力与减少变形；罐壁在倒装施工时，可采取刚性固定锤击法，以减少纵缝焊接时因横向与纵向应力而产生的角变形，使焊道焊接应力消除，注意锤击时温度不可在200-300摄氏度范围内，以避免断裂现象。
罐底焊接时，最关键的是焊接的顺序的合理，应先焊接大角焊缝，再按照罐底轴线分四个作业区进行对称焊接，其中短纵缝区应优先焊接，长焊缝应由中间向两侧退焊，相邻两条不可同步进行，再次是中幅板四人同步焊接可减少热输入和焊接收缩，最后焊接八卦角焊缝；合理的焊接搭配可有效控制焊接变形。
2.4 焊后处理措施
焊接后的残余应力消除常用方法除上述罐壁的刚性固定锤击法外，还有应力释放法（包括切条法、车削法、刨削法、套孔法和小孔法）、振动法以及电加热器局部或加热炉整体退火等方法，采用时注意尺寸和工艺参数的选择。焊后宜用保温材料覆盖以便于热处理。
如果焊后须进行残余变形矫正，可根据罐体的实际结构形式和施工方案，选择合适的矫正方法。常用的矫正方法有机械矫正法、火焰矫正法以及混合矫正法。其中机械矫正法可利用气动、液压、螺旋器具加机械外力促进塑性延展变形；火焰矫正法不适用于具有晶间腐蚀倾向的不锈钢以及淬硬倾向较大的钢材；混合矫正可根据具体构件变形情况，将以上两种方法交替使用以消除变形。
3 结语
上述模型仅就圆筒形钢制罐体而言，为了保证罐体的总体质量，还须在每一个施工细节进行仔细的推敲。
参考文献
[1]张丽生，程晓燕，冯素英.焊接应力和变形的分析与探讨[J].现代焊接. 2010（03）.
[2]姜留军.浅谈钢结构焊接应力、变形的控制[J].企业家天地（理论版）. 2011（02）