大型箱體焊接變形的控制方法

解決問題的途徑

     通過工藝分析及焊接變形影響因素的分析，采取了以下措施控制焊接變形，保證幾何尺寸。

1   下料時(shí)焊縫坡口所在板通過計(jì)算和試驗(yàn)，寬度方向合理留出焊接收縮量。由于焊縫橫向產(chǎn)生橫向縮短，產(chǎn)生橫向收縮大約為焊縫截面平均寬度的10%。焊縫產(chǎn)生縱縮短，在長(zhǎng)度方向留出合理余量（一般為20mm），構(gòu)件制作完畢后，進(jìn)行二次下料。

2   減小主焊縫的坡口截面尺寸，降低受熱量。

      箱型構(gòu)件四角主焊縫設(shè)計(jì)采用50°單邊V型坡口，鈍邊2mm，組隊(duì)間隙2mm的焊縫形式。在保證焊縫質(zhì)量的前提下，實(shí)際采用45°±5°V型坡口, 從而減小了主焊縫的坡口截面，降低了受熱量，減少了焊縫收縮量。

3   減小焊接線熱能

       箱型內(nèi)部原采用手工電弧焊，現(xiàn)改用線熱能較低的CO2氣體保護(hù)焊，四角主焊縫采用CO2氣體保護(hù)焊打底兩遍, 埋弧自動(dòng)焊蓋面一遍，改變了圖紙全部埋弧自動(dòng)焊焊接的工藝，有效降低了焊接線熱能。

4   確定合理的施焊順序

4.1    采用對(duì)稱焊接：箱型構(gòu)件四角主焊縫及縱向加肋板都是對(duì)稱布置，施焊中采用對(duì)稱焊接。

4.2    內(nèi)部橫向短肋板先用胎具制作成隔板框，保證尺寸的準(zhǔn)確性，減小組對(duì)成箱型整體后內(nèi)部焊接量。

4.3    筋板、橫隔板與箱體構(gòu)件的焊縫采用分段、分散對(duì)稱焊，減小變形。長(zhǎng)直焊縫采用分段退焊法，每段焊縫長(zhǎng)度為350mm。

4.4    嚴(yán)格工藝規(guī)范：為確保構(gòu)件加工質(zhì)量，每次施工前，必須通過分析和試驗(yàn)，確定合理的施工工藝方案。

  確定所必須的工裝配置。

  焊接工藝參數(shù)的確定：焊接材料、焊接設(shè)備、焊接人員、焊道清理、焊接順序、焊接電源、焊接電壓、焊接速度。

  減小焊接變形及應(yīng)力采取的措施：采用分段、分散對(duì)稱焊。對(duì)每一具體構(gòu)件規(guī)定嚴(yán)格的焊接順序。

  制定檢驗(yàn)規(guī)程：規(guī)定各項(xiàng)質(zhì)量控制點(diǎn)的檢驗(yàn)內(nèi)容、方法、手段及檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。

     隨著金屬焊接加工的發(fā)展，金屬焊接加工技術(shù)日益趨于成熟。然而，在實(shí)際焊接生產(chǎn)過程中，也會(huì)因?yàn)楦鞣N原因而產(chǎn)生各樣的問題。如何辨別問題出現(xiàn)的原因，如何解決質(zhì)量問題的出現(xiàn)，這是生產(chǎn)工藝管理過程中非常重要的一環(huán)。

    首先，要對(duì)焊接品質(zhì)進(jìn)行檢查焊接品質(zhì)的檢查。鋁合金焊接生產(chǎn)儲(chǔ)存環(huán)境和輔助材料使用的要求一、生產(chǎn)儲(chǔ)存溫度濕度的要求鋁合金的生產(chǎn)和儲(chǔ)存環(huán)境必須防塵、防水、干燥。一般有目視檢驗(yàn)和破壞性檢驗(yàn)兩種方法。目視檢驗(yàn)顧名思義，是工作人員根據(jù)自己豐富的工作經(jīng)驗(yàn)來判定焊接產(chǎn)品是否合格，但若憑此檢驗(yàn)就下結(jié)論，還不充分，這就需要進(jìn)行破壞性檢驗(yàn)，即撕開焊接母材進(jìn)行確認(rèn)。另外，也可利用拉伸儀進(jìn)行拉伸強(qiáng)度的檢驗(yàn)。

    其次，根據(jù)現(xiàn)象進(jìn)行原因分析。為了改善接頭的性能，有時(shí)需要將下列各項(xiàng)中的一項(xiàng)或多項(xiàng)加以考慮：。一般來說，若出現(xiàn)焊接加工不良，可能材料有問題，需要在檢查材料質(zhì)量后更換材料或改變激光焊接機(jī)波形設(shè)定工藝條件進(jìn)行解決；若所焊接產(chǎn)品的同一部位連續(xù)出現(xiàn)焊接不良，很可能是工作臺(tái)和夾具有問題；若偶爾有焊穿和虛焊現(xiàn)象，可以檢查焊接機(jī)的能量穩(wěn)定性或工作臺(tái)及夾具是否存在問題。

     再次，加強(qiáng)焊接品質(zhì)保證管理。但硬鋁合金的耐腐蝕性不好，通常需要進(jìn)行陽極化處理，或使其表面形成（包覆一層純鋁，成為包鋁。在焊接過程中，一要經(jīng)常用壓力測(cè)試儀對(duì)焊接壓力進(jìn)行測(cè)試，以使壓力保持不變，同時(shí)，要經(jīng)常對(duì)焊接機(jī)頭的動(dòng)作狀況進(jìn)行檢查；二要加強(qiáng)對(duì)電流的監(jiān)測(cè)，避免出現(xiàn)電源電壓的波動(dòng)、焊接機(jī)超載運(yùn)作而引起的過熱使電流輸出減少、工件接觸不良導(dǎo)致電流減少、焊接機(jī)性能不良等問題；三要考慮工件厚度、鍍層厚度、金屬成分等的變化，避免焊接不良品的出現(xiàn)。

鋁及鋁合金的mig焊焊接性良好，如能控制好焊接氣孔缺陷，便可用于鋁制厚壁壓力容器的焊接。

1 母材性能

　　鋁的化學(xué)活潑性強(qiáng)，與空氣接觸時(shí)，會(huì)在其表面生成一層致密的al2o3薄膜，這層氧化膜可防止硝算及***的腐蝕，耐腐蝕性好，如加入一些硅、銅、鎂、鋅等合金元素后，可獲得不同性能的合金，鋁合金的抗低溫性能也很好。如何在滿足鋁鎂合金材料使用的前提下，消除焊縫中的氣孔是鋁鎂合金焊接工藝質(zhì)量前提保證，也是我們?cè)谌粘９ぷ髦行枰暤膯栴}。如鋁鎂合金和鋁錳合金，它們的特點(diǎn)是強(qiáng)度中等，塑性及耐蝕性好，故通常稱為防銹鋁，焊接性好，是目前鋁合金焊接結(jié)構(gòu)中應(yīng)用廣的鋁合金材料。特別是機(jī)械行業(yè)的空分設(shè)備，屬深冷技術(shù)產(chǎn)品，主要的塔體容器均采用鋁鎂合金，如5083-h112，其抗拉強(qiáng)度rm可達(dá)270～275 mpa。鋁鎂合金也廣泛用于石化產(chǎn)品中，較之不銹鋼在比強(qiáng)度和性價(jià)比上有較大優(yōu)勢(shì)，已在空分和石化設(shè)備中廣泛使用。以前鋁合金的焊接大都采用手工操作，如手工ya弧焊，但隨著產(chǎn)品設(shè)備的越來越大，越來越厚，手工ya弧焊的焊接方法已不再適合了。壁厚30 mm以上的材料，因鋁合金的導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容等都很大，約比鋼大一倍多，在焊接過程中大量的熱能被迅速傳導(dǎo)到母材內(nèi)部，因此焊接時(shí)比鋼要消耗更多的熱量。為獲得高質(zhì)量的焊接接頭，必須采用能量集中、功率大的熱源，使焊槍鎢棒容易燒損，需采用預(yù)熱，甚至需邊焊邊熱等工藝措施，給焊接時(shí)帶來很多麻煩。因此純手工ya弧焊已不再適合較厚的鋁合金材料，直徑大的鋁合金容器，可采用自動(dòng)mig焊焊接，但如石化產(chǎn)品，往往是壓力高，直徑小，壁厚（30 mm以上）及經(jīng)過壓制的厚壁容器封頭（因要壓制不宜采用焊接功率大的自動(dòng)mig焊），采用熔化極半自動(dòng)ya弧焊可以彌補(bǔ)以上缺陷。

　　2 焊接工藝性分析

　　2.1 鋁合金mig焊

　　熔化極半自動(dòng)ya弧焊是利用焊絲與工件間產(chǎn)生的電弧作熱源將金屬熔化的焊接方法。氧化膜薄層中具有大量的微孔，可吸附各種潤(rùn)滑劑，適合制造發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸或其他耐磨零件。焊接過程中，電弧熔化焊絲和母材形成的熔池及焊接區(qū)域在惰性氣體ya或氦的保護(hù)下，有效地阻止周圍環(huán)境空氣的有害作用。用焊絲作為電極，用ya氣作為保護(hù)氣體，電源采用直流反接，使熱量集中，但電弧功率又沒有自動(dòng)mig焊的大。熔化極半自動(dòng)ya弧焊有很多優(yōu)點(diǎn)，操作方便，能焊接各種位置的焊縫和不同厚度的鋁合金，特別是焊接中厚板容器接管角焊縫更有著明顯的優(yōu)勢(shì)。但由于鋁及鋁合金對(duì)焊接氣孔特別敏感，尤其在使用雜質(zhì)含量較多的國(guó)產(chǎn)焊絲，故用于壓力容器的a，b類承壓焊縫時(shí)有一定的困難。為此筆者成立攻關(guān)組，經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)和研討，終于使問題迎刃而解，并順利應(yīng)用到產(chǎn)品中。

　　2.2 氣孔產(chǎn)生機(jī)理及解決措施

　　熔化極半自動(dòng)ya弧焊焊接時(shí)產(chǎn)生的缺陷主要是氣孔，而氣孔生成機(jī)理是很復(fù)雜的。一般來說在約束環(huán)境下，水平管仰焊接頭部位可采用交叉接頭法，有利于焊縫質(zhì)量的保證，避免氣孔的產(chǎn)生。由于鋁與氧的親和力很大，在空氣中極易與氧結(jié)合生成致密結(jié)實(shí)的al2o3薄膜，這層氧化膜還會(huì)吸附水份。而產(chǎn)生氣孔的重要因素是氫，屬氫致擴(kuò)散氣孔，由于鋁及鋁合金的物理本質(zhì)特征，使得它們?cè)谝簯B(tài)時(shí)可溶解相當(dāng)量的氫，而在固態(tài)時(shí)幾乎不能溶解，因此在熔池的結(jié)晶和冷卻過程中氫無法及時(shí)逸出，而殘留在焊縫內(nèi)形成氣孔。

　　2.2.1 氫的來源

　　氫的來源有以下幾個(gè)方面：在焊材和母材中溶解的氫；焊材和母材表面的氧化膜、油污、水分等；保氣氛中的氫和水份；在保護(hù)條件不完善時(shí)卷入電弧氣氛中的空氣所帶有的氫和水分。

　　2.2.2 氣孔控制措施

　　待焊區(qū)的清理工作完善與否是控制焊接氣孔的基礎(chǔ)，母材坡口及其兩側(cè)以及焊絲必須去油、去污，表面氧化膜需用鏟刀、銑刀等工具予以去凈，使之露出金屬本色；空氣相對(duì)濕度宜控制在70%以下，空氣相對(duì)濕度較高以及工件壁厚較大時(shí)，焊前在焊接區(qū)須進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱溫度一般在100 ℃左右；工件壁厚較大時(shí)以采用多層焊或多層多道焊為宜；宜選用雜質(zhì)盡可能少的焊絲（進(jìn)口焊絲常優(yōu)于國(guó)產(chǎn)焊絲，如牌號(hào)為5083母材，可選用er5183，1.6 mm焊絲）和≥99.99%的高純亞作為保護(hù)氣體。而主要針對(duì)低碳鋼點(diǎn)焊問題所提出的以保證熔核大小穩(wěn)定為目標(biāo)的各種控制方法并不適合與鋁合金點(diǎn)焊，尤其是對(duì)工件電極的粘連問題和焊點(diǎn)表面成形質(zhì)量差的問題更是無能為力。熔化極半自動(dòng)ya弧焊在條件允許范圍內(nèi)可以代替手工ya弧焊在鋁制壓力容器中的焊接，特別是小直徑厚壁容器的縱環(huán)焊縫和須經(jīng)壓制的封頭縱焊縫的焊接，經(jīng)無損檢測(cè)可以達(dá)到j(luò)b/t4730.2―2005ii要求，也能代替手工ya弧焊在容器接管角焊縫的焊接，經(jīng)100%著色檢測(cè)，可以達(dá)到j(luò)b/t 4730.5―2005i的要求，在受壓件與非受壓件間的結(jié)構(gòu)件角焊縫的焊接，更有著其明顯的優(yōu)勢(shì)，效率可提高2倍以上。必須指出，除了設(shè)計(jì)恰當(dāng)焊接坡口，選擇已經(jīng)驗(yàn)證的合理焊接參數(shù)以外，選擇含雜質(zhì)較少的適配焊絲、適當(dāng)預(yù)熱和焊接區(qū)的充分清理都是減少及至杜絕氣孔的有較手段。