压力容器焊接变形的控制与矫正研究

刘一飞

[摘 要]随着国家工业化的飞速发展，压力容器已实现了在各个行业的广泛应用，钢材为压力容器制造的常用材料，钢制压力容器大都采用焊接方法制造而成，在很多时候，焊接过程中由于母材局部没有均匀受热，因而导致发生了不同程度的焊接变形情况。文章对压力容器常见的焊接变形原因进行了分析，进而提出了一些矫正方法。

[关键词]压力容器；焊接变形；控制矫正

中图分类号：TG457.5 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）09-0029-01

压力容器的焊接质量在一定程度上可以代表整个压力容器的质量，可见焊接质量对压力容器安全运行的重要性。由于焊接工艺参数选择不合理、组装和施焊的顺序不当，造成母材局部受热不匀，产生了各种焊接变形。焊接变形会降低焊接接头的力学性能和化学性能，也会影响到后续的装配。另外，对过大的焊接残余变形进行矫正，不但增加了制造成本，也降低了产品的焊接质量，影响了工作效率。

一、压力容器常见的焊接变形的原因及控制

压力容器是当前工业生产领域当中的重要设备，它是一种良好的密闭设备，内部盛装液体或气体，需要承载一定的压力。在实际生产中，反应容器、分离容器、换热容器、贮运容器等，都属于压力容器的范畴。在压力容器的焊接变形当中，主要包括大直径平焊法兰焊接变形、薄板焊接变形、管板焊接变形等不同种类的焊接变形。

（一）管板焊接变形

管板焊接变形主要包括波浪变形、拱形变形等类型，产生这些变形现象的主要影响因素包括焊接工艺参数、焊接层数、管板和筒体的坡口角度等。在焊接过程中，在确保能够熔透的基础上，应当能够将焊接电流尽量降低，防止局部过热而导致焊接变形。如果焊接材料的层数越多，就可能产生越大的角变形。由于材料层数较多，需要反复的进行焊接，材料也就会受到反复的加热和冷却，从而使变形量增加。所以，应当尽可能地减少焊接层数，从而降低焊接角变形的发生。同时在确保焊接强度的同时，还应当将焊角高度尽量降低。对于焊接接头的焊接角变形来说，管板和筒体的坡口角度、焊缝截面形状等因素，都会造成较大的影响。坡口处具有越大的角度，在焊接接头的上下部位就会发生越大的横向收缩量差别。所以，在确保能够焊透的基础上，应当尽量降低坡口的角度。如果筒体厚度在16mm以上，就应当采用U型坡口。

（二）薄板焊接变形

在薄板焊接变形当中，根据变形程度的不同，可细分为局部变形、整体变形等。其中，局部变形主要包括角变形、波浪变形等，在实际生产中，断截面积的大小、焊接材料的热物理性能、焊缝数量的多少、焊接工艺参数的选择等因素，都会对其造成影响。整体变形主要包括纵向变形、扭曲变形、弯曲变形、横向变形等类型，具体指的是在完成焊接工作之后，整个压力容器的尺寸、结构比例等参数均发生了一定的变化。

热物理性能是一种宏观的热学性能，它是材料所固有的属性。对于薄板焊接变形来说，线膨胀系数、中热扩散率等因素能够对其产生巨大的影响。比较不锈钢板和碳钢板，如果材料的形状、厚度相同，选取同样的焊接工艺参数进行，在焊接之后，碳钢板的变形量要远远低于不锈钢板。对于线膨胀系数较大、热扩散率较低的材料来说，焊接线就应当取较小的能量值。在薄板材料当中，由于断截面积通常比较小，所以焊接层数也不多，不会对焊接变形产生太大的影响。然而，在实际生产过程中，正是由于焊接层数较少，因而通常会调高电弧电压和焊接电流，以期能够一次性成型，这样就造成了严重的焊接变形现象。在压力容器的焊接过程中，焊接速度、电弧电压、焊接电流等焊接工艺参数具有十分重要的意义。在通常情况下，焊接电流和电压与焊接速度成反比，与结构变形度成正比。因此在焊接过程当中，应当对这些工艺参数进行有效的控制，从而对焊接变形的产生发挥一定的预防作用。

（三）大直径平焊法兰焊接变形

大直径平焊法兰焊接变形主要有法兰端面变形、法兰直径变形和与法兰焊接的筒体的变形。大直径平焊法兰焊接变形的原因如下。

大直径平焊法兰与筒体焊接时，由于法兰直径大，刚性差，焊道长，焊完一圈需要的时间长。在焊接过程中，焊缝熔合区受热和冷却速度以及焊缝间断的冷却时间间隔太长，造成整个焊缝区受热不均匀，焊缝收缩变形也不均匀，由此产生了焊接变形。焊接采用单面连续焊时，法兰焊接区周向受热部分受到焊缝冷却时环向收缩应力的作用，发生平面变形。同时由于焊缝的环向的焊接收缩量很大，也进一步将变形扩大，形成了不规则的椭圆现象，有内凹，也有外凸。法兰断面的扭转力非常大，足以使筒体也产生相应的变形。

二、压力容器焊接变形的控制与矫正

（一）焊接变形的控制

在压力容器焊接进行之前，应当对焊缝的尺寸、形状等进行合理的设计和选择。焊缝的形状也就是坡口的形状。在厚度相同的平板对接过程中，U型坡口焊缝和双V型坡口焊缝所产生的焊缝角变形要小于单V型坡口焊缝。如果焊接结构能够进行两面施焊和翻转施焊，坡口形式就可以设计成两面对称的形式。对于焊缝的尺寸，在确保结构焊接性能的基础上，应当尽量降低焊缝的坡口角度。为了对焊接变形进行有效的控制，可采取散热法、留余量法、热平衡法等焊接工艺。其中，散热法主要是采取各种方式，迅速的散去施焊处的热量，降低受热区的焊接变形。在管板堆焊当中，这种方法应用的较为广泛。留余量法主要是在下料的过程中，适当的较大设计尺寸和零件尺寸，从而对焊件的收缩情况进行补偿。在不锈钢筒体与大尺寸封头的对接过程中，常采用此种方法。热平衡法主要针对的是不对称布置的焊缝结构，在不对称结构的焊接当中，时常会出现弯曲变形。因此在焊接过程中，可采用气体火焰同步加热的方法在焊缝对称位置上进行焊接。同时选择适当的加热工艺参数，就能够对焊接变形进行有效的控制。

（二）焊接变形的矫正

在压力容器的焊接当中，由于可造成焊接变形的因素过多，因此，在实际工作中往往难以进行有效的全面控制，因此一些焊接变形的产生也是不可避免的。如果残余的焊接变形量超出了相应的标准，就应当采用适当的措施进行矫正。热矫正法和冷矫正法是两种较为常用的矫正方法。其中，热矫正法主要是在局部进行火焰加热，产生反变形来抵消原焊接变形。冷矫正法主要包括机械矫正和手工矫正。在实际焊接生产中，要根据焊件的实际性能等因素，来选择最为合适的矫正方法。

压力容器是当前工业领域当中的重要应用设备，压力容器的制作目前采用的大多是焊接工艺。而在压力容器的焊接过程中，由于各种原因的影响，难免会产生一定的焊接变形。虽然能够采取一些措施进行控制，但由于影响因素过多，因而也无法完全避免。对此，应基于焊接变形的产生原因，采用适当的措施进行矫正，从而确保压力容器的应用性能。

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