304不銹鋼管焊接在安裝過程中較為常見,焊接連接在具有其獨特的優點的同時,也存在著其不可避免的缺陷,即焊接殘余應力及焊接變形。本文就施工現場的工藝304不銹鋼管及爐殼焊接,結合連續退火爐結構安裝工程實際,淺談焊接的殘余應力及焊接變形的原因,以及現場施工過程中如何控制及解決辦法。

焊接連接是304不銹鋼管主要的連接方法,其優點是構造簡單、不削弱構件截面、節約鋼材、加工方便、易于采用自動化操作、密封性好、剛度大等特性。但同時304不銹鋼管焊接也存在一些缺點,如存在焊接殘余應力,焊接過程易使鋼構件發生形變,焊接對焊縫周圍母材產生不均勻應力分布,使鋼材的金屬組織和機械性能發生變化。

一、工程概況

本工程位于山東省煙臺市,立式退火爐,由加熱爐、均熱爐、緩冷段、快冷段、時效段、終冷段及水淬段等組成。其中加熱爐、均熱爐等爐體外形尺寸較大,爐殼壁厚較薄,焊接工作量大。而爐體安裝最核心的工作就是控制焊縫的質量和幾何尺寸,焊縫質量直接影響到整個爐體的氣密性,做好焊接過程中的應力變形控制對爐體安裝很重要。

加熱爐爐體截面尺寸為11135mm*2920mm(長*寬),底輥室上部的爐體由2片端板與13片側板組成,每一層單側的水平焊縫長度約為28m。根據設計要求,爐體外部采用連續焊接,爐內采取間斷焊接200@150,單層氣密性焊接焊縫長度大,應力變形量大。爐體鋼平臺共有八層,鋼柱為H300*300,中部平臺主梁為H240*240,底層及頂層平臺主梁為H390*300,次梁均為H240*240,對焊接變形控制要求較高。本文以加熱爐爐殼及工藝304不銹鋼管焊接為例,就焊接應力變形控制及應對措施進行淺析。

二、殘余應力及焊接變形的原因分析

焊接過程對焊件進行局部且不均勻的加熱,是焊接結構產生焊接應力和變形的根本原因。焊接一般采用集中熱源在焊件上局部加熱,因此在焊件上形成一個不均勻的溫度場,不均勻的溫度場使材料產生不均勻膨脹,處于高溫區的材料在加熱過程中膨脹量大,受到周圍溫度較低、膨脹較小的材料的限制,不能自由進行,使高溫區的材料受到擠壓,產生局部壓縮塑性變形,此時產生的內應力較小。在隨后的冷卻過程中,這部分已經產生壓縮塑性變形的材料由于受到周圍低溫區的限制,而不能自由收縮,于是在焊件中又出現一個與焊接熱時方向大致相反的內應力。故焊接時不均勻的局部加熱及較大的溫差是產生焊接殘余應力和焊接變形的根本原因。

焊接構件變形的直接原因是焊縫的縱向收縮及橫向收縮,因收縮受到結構材料的限制而產生應力和變形。不同的結構產生不同的變形,或同時產生幾種變形。變形與以下因素有關:

1.焊縫在結構上的位置對變形的影響:構件上焊縫的位置不同會產生不同的變形,焊縫的不對稱布置往往使構件產生彎曲、扭曲等復雜變形。

2.結構鋼度對焊接變形的影響:結構在外力或內力的作用下產生的變形與結構抵抗變形的能力有關。

3.焊接順序對結構變形的影響:焊接工藝上的一些因素常影響結構變形。焊接結構的整體剛度是隨零件逐個裝配焊接而形成的。結構的整體剛度大于單個零件的剛度和組合件的剛度。如果單純從減少結構殘余變形的角度出發,先裝成整體后,再按順序焊接,能夠一定限度的減少焊接變形。

三、減少焊接殘余應力措施

1.采用合理的施焊次序來減少焊接殘余應力:

1)焊接過程中先焊接收縮量較大的焊縫,因為先焊的焊縫收縮的阻力較小,焊接應力較小。爐殼焊接的過程中,爐體兩端的焊縫寬度及結構剛度會有差異,焊縫寬度大的一端焊接完后的收縮量較大。這種情況下,先焊接焊縫寬度較大一端,待焊縫焊好穩定后再焊接另一端焊縫。這樣在一定程度上有效地減少了焊接殘余應力。

2)一個結構上如果既有橫焊縫又有縱焊縫,應先焊橫縫,讓它有較大的收縮余地,然后再焊縱縫。爐殼焊接的過程中,先焊接橫向焊縫,最后焊接縱向焊縫,以此來減少焊接的殘余應力。

3)先焊接工作時受力較大的焊縫,使內應力合理分布,因為受力較大的焊縫往往是主受力桿件連接部位,304不銹鋼管平臺在拼裝焊接的過程中,先焊接主梁焊縫再焊接次梁焊縫。

2.焊前預熱消除殘余應力:焊前預熱的目的是使焊接區和結構的溫度差縮少,降低約束速度,達到減小焊接內應力的目的。焊前預熱的溫度應根據外界環境溫度、母材的材質及厚度來確定,特別是在冬節施焊時,應在焊接前對焊縫周圍區域100mm范圍內進行預熱,預熱溫度為60℃。

3.采用錘擊焊縫的辦法來消除焊接殘余應力:在每道焊縫冷卻的過程中,圓頭小錘錘擊焊縫,使焊縫金屬受錘擊產生塑性拉伸變形而向四周延展,以抵消焊縫的收縮而降低內應力。錘擊時應保持均勻適度,不得對根部焊縫、蓋面焊縫或焊縫坡口邊緣的母材進行錘擊。

四、控制焊接殘余變形的措施

1.反變形:為抵消焊接變形,在焊接裝配前,預先將構件向變形的反方向進行反變形。如V形坡口的對接反變形,根據板的厚度預置一定角度的反變形,能夠抵消因焊接而產生的變形。

2.剛性加固:在焊接前采用夾持固定,加強焊件的剛度。在鋼煙囪對焊的焊接過程中,采用剛性加固獲得了較好的效果。在焊接前將構件的位置擺放好,調整好焊縫間隙后,在對接口周圍對稱加焊卡板來加固??ò宓拇笮〖皵盗扛鶕軓降拇笮?、壁厚以及殘余應力的強度來確定。

3.利用裝配焊接順序控制變形:調節零件的拼裝焊接順序也能夠達到較好的控制焊接變形的效果。如單片主框架的拼裝焊接過程中,盡量采用對稱焊接,先焊主梁,再焊次梁,從主梁中部向兩側焊接,同一構件禁止兩側同時施焊。

4.焊后的校正措施:對于現場的焊接過程中已產生的的焊接變形,可采用氧氣-乙炔局部加熱的辦法來校正。

五、結束語

304不銹鋼管焊接過程中,不可避免的會產生焊接殘余應力及變形。但在現場施工的過程中,可以根據缺陷形成的原因,采取相對應的、切實有效的措施來解決這些問題,最終使結構的焊縫達到所需要的質量要求。

以上文章所述內容均為本人根據所參與的安裝工程項目,對304不銹鋼管焊接缺陷的淺顯認識。