佛山市界龙机械有限公司 佛山 528300
摘要：热板是瓦楞纸包装机械的重要部件，属于Ⅰ类压力容器。分析了热板焊接时产生的焊接变形的种类和原因，提出了控制热板角焊缝焊接变形的具体措施，设计了简易的固定夹具，有效地控制了热板焊接时产生的变形。实践证明这些措施和方法行之有效。
关键词：热板；焊接变形；控制；工艺参数
Hot Plate Control of Welding Anti-Deformation
Li Chengdong
FoShan City Jie Long Machinery Co.，Ltd，Foshan，528300
Abstract：Hot plate is the important part of corrugation packaging machinery. And it belongs to the pressure vessel I. The welding deformation produced was controlled effectively by analyzing welding deformation types and causes during hot plate welding，putting forward specific measures of controlling welding deformation for hot plate fillet weld，designing some simple fixture tools. The practice has showed that these measures and methods are effective.
Key words：hot plate；welding deformation；control；process parameters
引言
由于热板组件数量较多，其内、外结构图如下图1、图2所示，组件之间的角焊缝数量庞大，因此容易发生面板的焊接变形现象，因此通过采用合理的组焊顺序、正确的焊接规范参数和焊接方向、合适的施焊方法及良好的装配质量可以有效地防止产生热板焊接变形形象。
传统制造工艺是焊工根据自身工作经验来装配及施焊，具体体现在以下几点：
⑴、焊接方向：
①尤其对于所有长角焊缝（隔板与面板、内外筋板与面板、长侧板与面板等）均采用便于操作的单向（左→右或右→左）施焊。
②拉杆与面板、拉杆与底板的角焊缝均使用单向顺序施焊。
⑵、组焊顺序：
①隔板两侧内外筋板与面板的组焊顺序通常是在完成隔板一侧的内外筋板与面板的焊接作业
之后再对另一侧的内外筋板与面板施焊。
②在完成隔板两侧内外筋板与面板的角焊缝之后再对拉杆与面板施焊。
⑶、焊接方法：焊工使用适合于自己且能熟练操作的焊接方法，通常以气保焊为主。
⑷、焊接规范参数：在实际焊接作业过程中，焊工一般根据自身工作经验设定焊接规范参数。
对于控制热板的焊接变形，通过调整焊接方向、优化组焊顺序、改善焊接方法及定制工艺参数，
是热板焊接防变形研究的重要内容。本文详细地阐述了热板常见变形（角变形、弯曲变形及扭曲变形）的形成机理，以热板的整体直线度为质控参数，以最大限度地降低热板焊接变形量为目标确定了焊接方向和组焊顺序。完善的焊接方法及定制化的焊接规范参数以减少热板焊接变形量，提升焊缝成形质量为目标进一步提高热板成品的可靠性及耐用性。
本文综合考虑组焊顺序、焊接规范参数、焊接方向及装配质量等因素，以控制热板焊接变形量为目标，在对热板焊接作业全过程（含装配）进行优化调整，确定了热板焊接作业全过程涉及各因素的操作步骤和注意事项的基础上，以各因素相互协同配合实现热板成品整体防变形控制为目标，制定了各因素下的具体作业细节，以确保热板制造加工过程中面板的平直度符合产品竣工图的设计要求及GB/T150.1～150.1-2011《压力容器》及TSG 21-2016《固定式压力容器安全技术监察规程》相关标准规范。
1、Rc1接头 2、连接板 3、底板
1 热板变形原因
本文所研究的热板内部结构如图1所示，外部结构图如图2所示。图1中，件号3为面板，其最终
直线度将直接影响到热板成品质量及其可用性。在成品热板中，通过采用不同的焊接方法逐一完成各组件在面板上的装配组焊。一方面在焊接过程中，由于焊接热源和焊接热循环的特点，使各组件受到电弧不均匀的加热，导致焊接金属受热膨胀及冷却的程度也不同，由此在各组件内部就产生了应力和变形，在各种应力综合作用下形成了面板变形的现象。另一方面，焊工通常依赖于惯性的作业经验及熟悉的焊接方法来制作产品。从图1及图2可知，热板的内外焊缝众多，焊接作业量大。在这些众多焊缝中，其中有部分重要受检焊缝（长侧板与面板、底板角焊缝、短侧板与面板、底板角焊缝、隔板与底板角焊缝、长侧板与短侧板角焊缝）按照竣工图纸设计要求是必须连续焊且全焊透，且上述焊缝在焊后还需接受探伤检测及耐压试验检定。由此可见，上述焊缝质量将关乎到热板成品的使用寿命和使用性能。而在如此大量焊接作业情况下，单一焊接方法及固有的工作经验既难以保证成品热板的整体直线度完全达到产品设计要求，又未必能使焊缝成形质量符合压力容器关于焊缝质量的标准规范。因此，本文所研究的热板焊接变形根源的思路是从其内因和外因两方面进行深入剖析。
1.1 焊接内因（形成角变形、弯曲变形）
在焊接过程中，热板本身特别是焊缝和热影响区，不断地受到加热和冷却作用。由于焊接热源的特点（热量集中且不断地运动），焊缝和热影响区的加热和冷却过程并不是均匀地进行，而是有很大的差异的，它们的共同点即是都受到焊接热循环的作用。由于热板各点具有不同的热循环，从而具有不同的膨胀、收缩情况，而且由于焊接热循环直接影响到各点金相组织的变化，加上热板各点的相互牵制、约束、使热板出现复杂的应力、变形的情况，从而导致各种不同的后果。
热板焊接应力按其形成的原因可分为温度应力、组织应力和凝缩应力。原有的单向焊接方向（左→右或右→左）容易产生温度应力，组织应力和凝缩应力则是始终贯穿于焊接全过程。热板焊接应力按其焊接结构中的作用方向主要体现为体积应力。
热板焊接变形因其焊接接头的型式、钢板的厚薄、焊缝的长短、工件的形状、焊缝的位置等原因，会出现各种不同形式的变形。常见热板变形有角变形、扭曲变形和弯曲变形三种形式。按焊接结构的残余变形可分为局部变形（角变形）和整体变形（弯曲变形和扭曲变形）。
焊接后面板变形多为不规则的弧形状。一般水平偏差为2～4mm，最大水平偏差达8mm。产生变形的根本原因是在焊接过程中，面板受热伸长，面板的边缘出现了拉伸应力。而在面板中间焊缝区，不仅是产生了压应力，而且还产生了压缩塑性变形。当冷却时，由于面板中间在加热时产生压缩塑性变形的缘故，所以，最后的长度要比原来的短些，但由于中间部分的收缩收到两边的牵制，导致钢板边缘出现了压应力。钢板中间由于没有能完全收缩，则出现了拉伸应力，最终产生了面板纵向焊接应力及变形现象。面板形状改变的大小与焊接结构、焊接规范（指加热能量大小）、接头形式、坡口角度、焊缝的位置和焊接本身的收缩量有关。
热板焊接时会引起角变形，在较厚钢板（面板δ＝25mm）的单面焊接时，焊接的一面温度高，另一面温度低，因此温度高的一面受热膨胀系数较大，另一面膨胀小甚至不膨胀。由于焊接面膨胀受阻，出现了压缩应力，并使它产生较大的横向压缩塑性变形。这样，在冷却时就产生了在钢板厚度方向上收缩不均匀的现象，焊接一面收缩大，另一面收缩小，并在焊接面内部产生横向拉应力，导致在焊后由于焊缝的横向收缩使得面板与长、短侧板间相对角度发生变化，形成了角变形。角变形的大小与焊接规范（指加热能量大小），接头型式，坡口角度等因素有关。由于面板属于中厚板，随着焊缝区域加热能量的增大（如增加焊接电流），在面板厚度方向上的温度分布仍旧不均匀（因向其它方向散热也较快），反而使焊接面的压缩塑性变形增加，角变形也随之增加。除去焊接加热在板厚方向温度分布不均匀对产生角变形影响较大之外，焊接坡口的形式，即坡口形状和坡口角度对角变形的影响也较大。面板与长、短侧板的角焊缝均为单面角焊缝，按照竣工图设计要求必须为单面焊全焊透型式，坡口型式为单面V形。由于长、短侧板与面板之间的坡口角度略有不同，因此焊接后产生不同的角变形。坡口角度大，焊缝上下部分熔敷金属体积相差较大，收缩量的差别也大，角变形也就越大。另外对单面V形坡口来说，采用不同的焊接操作方法，其最终的角变形也不一样，采用多层焊要比单层焊的角变形大，这主要因为单层焊在面板厚度方向上的温度分布比多层焊时的均匀。热板焊接时也会引起弯曲变形。其原因是在整块面板边缘施焊时，由于热输入量的不均匀所导致。以往热板在焊接过程中，焊工操作时从一端向另一端顺序施焊，从而使热板局部受热严重，焊接区温度较高，待焊接区温度较低。热输入量有相当一部分被传递到邻近金属中去。焊后，同样在邻近焊缝区域作用着一个纵向拉伸应力，在此应力的反作用下，使面板光面发生了向着焊缝一边的弯曲，由此而产生纵向收缩变形，同时伴随产生横向收缩变形。这样经由焊接引发的纵向收缩变形和横向收缩变形叠加导致了热板的翘曲。
1.2 焊接外因（形成扭曲变形）
导致热板发生扭曲变形的外因主要有以下几点：
⑴、热板焊缝数量众多，焊接作业量庞大；
⑵、在实际生产过程中装配质量不好、焊接顺序、焊接方向不当；
⑶、焊接方法选用不合适；
⑷、焊接规范参数设置不合理；
⑸、缺乏必要的固定夹具；
⑹、坡口制备不规范；
⑺、热板焊接结构的自重和形状。
综上所述，导致热板焊接变形的原因是多样的，变形程度因其种类不同而不同。局部变形对整体结构影响较小且较易于矫正。而整体变形虽未造成报废，但矫正极为不易，降低了生产效率，延长了生产周期，导致成本高昂。另外，上述热板角焊的焊接变形，极易导致热板密封不良，严重影响它的使用性能和产品寿命。因此，设计上对于要求热板焊接后的整体直线度要求很高，如果焊接变形尺寸超标，很难加以矫正。生产中必须采用科学合理的工艺措施，设计装配组焊必需的固定夹具，最大限度地控制热板的焊接变形，提升热板的产品质量。
2 控制热板焊接变形的具体措施
由于焊接应力及变形是焊接过程中必然存在的客观现象，两者往往既是同时存在，又是相互制约的。为了有效地控制这种现象带来的不利影响，提高热板成品的合格率，因此应从外因入手，结合公司实际生产情况，制定切实可行，行之有效的措施。本文提出的具体措施体现在以下几个方面：
2.1 坡口制备。
热板中主要受压元件分别为面板、长、短侧板、底板及隔板。除面板板厚为25mm，其余板厚均为16mm（内外筋板不计），属于中厚板。
坡口制备质量好坏，将直接影响到后续装配及焊接效果。为使热板成品的重要受压待检焊缝能顺利通过探伤检测及耐压试验检定，确保热板在日后使用期间，其腔体内部的工作介质不会出现泄漏情况。上述主要受压元件（长、短侧板及底板）的每条侧边均须严格按照图3所示的相应焊接结构来制备坡口（面板及隔板除外）。
坡口角度与焊缝截面形状对焊接接头变形有很大影响，坡口角度越大，焊接接头上、下部分横向收缩量就越大，相应的接头应力约束就越强，面板及底板发生角变形和弯曲变形的趋势越严重。
因此，建议采用机械制备坡口，一方面提高坡口制备效率，另一方面可以保证坡口制备质量符合产品竣工图纸设计要求。
图3 热板内部组件整体焊接结构图及组件之间焊接结构图
1、连接板 2、底板 3、隔板 4、拉杆 5、长侧板 6、面板、7、外筋板Ⅰ 8、内筋板Ⅰ 9、内筋板Ⅱ 10、外筋板Ⅱ 11、短侧板
2.2 焊接方法的确定。
鉴于热板隶属于Ⅰ类压力容器，一般情况下，对于重要受压待检焊缝宜采用手工电弧焊或埋弧
自动焊处理。而原有的二氧化碳气体保护焊（以下简称气保焊）生成的焊缝容易产生表面气孔。同时在气保焊时，由于热板受热的体积较大，故热板的变形也就比较大。而在手工电弧焊时，尽管其热能较大，但其焊接速度远大于气保焊，因此，相对来说热板的受热面就比气保焊时小，所以变形也就较小。气保焊仅适合于用在热板的非重要受压待检焊缝上（如隔板与面板角焊缝、拉杆分别与面板、底板角焊缝、Rc1接头与底板角焊缝、内外筋板分别与短侧板、面板及底板角焊缝等）。
考虑到以上因素，热板焊接前应根据焊缝尺寸、操作便利性、焊缝焊透及变形程度等实际情况
来选择适宜的焊接方法。热板的重要受压待检焊缝分别为长侧板分别与面板、底板角焊缝、短侧板分别与面板、底板角焊缝、长侧板与短侧板角焊缝、隔板与底板角焊缝。长侧板与面板之间角焊缝采用的是二氧化碳气体保护焊打底，埋弧自动焊封底的复合焊接方法。由于接头间隙小于3mm，采用二氧化碳气体保护焊打底容易实现根部焊透，然后采用埋弧自动焊封底可以产生较大的熔深，深度覆盖底层的二氧化碳气体保护焊焊缝，从而确保了焊接强度。而短侧板与面板之间角焊缝采用的是手工电弧焊，主要是考虑到角焊缝尺寸较短，不便于使用埋弧自动焊操作，同时，手工电弧焊相比起二氧化碳气体保护焊具有更好的机动灵活性且可以有效地减少表面气孔数量。
2.3 焊接规范参数的定制
焊接时应尽可能采用较小的焊接规范，即采用偏低的电流，以减小热板受热范围，避免焊接部
位过热而引起热变形，亦可减小焊接结构应力所产生的结构变形。同时，焊接变形也会随着焊接速
度的增加而减小。因此，制定焊接工艺时应在满足技术要求（保证焊透及焊接强度）的前提下，尽
量采用较小焊接规范及较高的焊接速度，可以获得较小的焊接线能量，明显地降低热输入，从而有
效地减少焊接变形量。鉴于面板、长、短侧板及隔板均属于中、厚板，而我司实际焊接生产中采用
的二氧化碳气体保护焊焊丝的规格为1.2mm，属于细焊丝，焊条的规格为4.0mm。针对中厚板的碳钢，
采用二氧化碳气体保护焊或手工电弧焊时，应选用适当的焊接规范参数以确保焊接强度和焊透。长侧板与短侧板；隔板与底板；底板、面板分别与长、短侧板的焊接采用的工艺参数见下表：
表1 底板、面板分别与长侧板、底板与隔板的焊接规范参数
⑵ 焊前，建议焊条应在150℃温度下高温烘培，烘培时长为1h，随烘随用。
2.4 采用刚性固定法及制定合理的装焊顺序。
2.4.1 在生产实践中，刚性固定法是显著减少焊接变形的常用方法，通过制作和运用简易的固定夹具
来达到控制变形目的。
⑴、两块面板光面相互贴合（即热板背靠背），采用点焊方式在两块面板每条长边加装四块小钢板（总计八块）、每条短边加装两块小钢板（总计四块）。
⑵、如图4所示，可选用三根φ20圆钢采用点焊方式加装在隔板与两条内筋板之上，进一步防止角
变形。
2.4.2 装配顺序对焊接结构变形的影响是很大的，由于装焊顺序不当往往会影响到整个工序的顺利进
行，并使整个焊接结构产生较大变形。一般来说，对于截面对称、焊缝布置也对称的简单结构，采
用先装配成整体，然后再焊接的顺序进行生产，就可以减少变形。但是，热板整体结构较为复杂，
采用边装边焊的方法势必会形成多种焊接应力及变形叠加后产生的整体变形现象。因此，在无法采
用先总装后焊接的顺序情况下，可采用点固焊方式先局部总装后分步焊接的顺序。具体做法如下：
⑴、隔板与面板、短侧板的装配→内筋板与面板、短侧板的装配→拉杆与面板的装配；
⑵、采用分中逐步退焊法及跳焊法分别按照下文及图示完成装配后的焊接工作；
⑶、底板与内筋板的装配→底板与拉杆的装配；
⑷、采用分中逐步退焊法及跳焊法分别按照下文及图示完成装配后的焊接工作；
⑸、外筋板与底板、面板的装配→外筋板与短侧板的装配；
⑹、采用分中逐步退焊法按照下文及图示完成装配后的焊接工作；
⑺、采用分中逐步退焊法和传统焊法按照下文及图示完成热板外部可视接头的焊接工作。
由于焊缝装配间隙过大，将会增加热板焊接的变形量，因此在实际装配过程中，各组件装配后的接头间隙均应严格符合竣工图纸的设计要求。尤其是侧板（长、短侧板）与面板的接头间隙、底板与隔板的接头间隙均不得大于2mm，侧板（长、短侧板）与底板的接头间隙均不得大于3mm。热板内部组件整体焊接结构型式图、各组件之间焊接结构型式图如图3所示。
2.5 正确调整焊接方向。
通常对直通焊（即对一条对接焊缝或角接焊缝，按同一方向从头焊到尾的焊接方法），不管焊缝有多么长，其横向受力的分布都是在焊缝末端产生大的拉应力，中段受到大的压应力。而且焊缝越长，直通焊末端的拉应力和中段的压应力就越大，由此而产生的变形也就越大。不同的焊接方向会使焊接结构产生不同的变形情况，这不仅是因为在焊接过程中沿焊缝方向上热量分布不均匀，主要是由于焊缝冷却有先后，在膨胀、收缩过程中所受到的约束程度不同所引起的。所以一般在焊接长焊缝时，采用焊前沿焊缝进行点固，并将长焊缝改为用不同方向的短焊缝的连接方法来减少焊后变形。在热板组件中的长侧板与底板、长侧板与面板、内外筋板与底板、内外筋板与面板、隔板与底板、隔板与面板组成的各自长焊缝均采用了分中逐步退焊法来施焊完成。具体方法在下文中叙述。
2.6 合理安排焊接顺序。
从图3可以看出，热板内部焊接结构存在截面对称、焊缝布置也对称的结构方式，但在相同的焊接规范的情况下进行焊接，每道焊缝所引起的变形并非相互抵消，而是先焊的焊缝引起的变形最大，最后的变形方向一般总是和最先焊的焊缝引起的变形方向一致。因此，即使有了合理的装焊顺序，如果没有合理的焊接顺序，最终会发生焊接结构的变形。
由于热板焊接作业均由单人独立完成，即使热板内部焊接结构存在截面对称、焊缝布置的结构特点，但在实际生产过程中并不能完全对称地、同时地进行焊接。在这种情况下，允许焊缝焊接有先后之分，但在焊接顺序上尽量做到对称，这样能最大限度地减小结构变形。例如图5所示的隔板及内筋板（Ⅰ、Ⅱ）与面板间角焊缝的每层焊道可采取图示焊接顺序（①→②→③→④→⑤→⑥→⑦→⑧）完成焊接作业。这样的焊法实质上是考虑到各条焊缝对变形的影响，即先焊的焊缝由于当时面板刚性小，所以变形大，因此不宜一次就将先焊的焊缝焊满。
对工件上的长焊缝如采用连续的直通焊法，将会使工件产生较大的变形，这是由于连续焊缝对焊接结构的长时间的加热的结果。在可能的情况下，将连续焊缝改成断续焊缝可减少焊缝和工件由于受热而产生的塑性变形。或者采用不同的焊接方向和顺序，可使局部焊缝变形适当减小或相互抵消，从而达到减少总体变形的目的。当焊缝在一米以上时，可采用逐步退焊法、分中逐步退焊法、交替焊法；对中等长度（0.5～1米）的焊缝，可采用分中对称焊法。一般退焊法和跳焊法，每一段焊缝长度约为100～350毫米较适宜。交替焊法因工作位置移动次数太多，故较少采用。由于我司生产规格型号为2.2米热板的长度约为2360mm，其中重要受压焊缝（长侧板分别与面板、底板间角焊缝、隔板与底板间角焊缝）长度均超过1米，因此，应采用分中逐步退焊法。考虑到焊工现场作业的劳动强度和生产效率，采用分中逐步退焊法后，将上述重要受压焊缝等分为四段，每段长度约为590毫米，对于拉杆分别与底板、面板之间的角焊缝宜采用跳焊法处理。同理，规格型号为1.8米、2.5米及2.8米系列热板的焊接顺序均参照上述2.2米热板制作步骤加工即可。需要注意的是，在焊接重要焊缝（如压力容器和承载较大的结构的主要焊缝）时，若采用不同顺序的焊接方法，由于焊接接头增多，必须认真操作，保证焊缝质量。热板各组件焊接顺序全过程分为如下步骤：
2.6.1 隔板、短侧板、拉杆及内筋板（Ⅰ、Ⅱ）与面板装配。
1、面板 2、长侧板 3、底板 4、隔板
2.7 掌握焊接层数和焊脚尺寸。
多层焊接时层数越多，焊脚越大，角变形越大。为控制角变形，在保证焊缝强度前提下，层数越少，焊脚越小越好。如长侧板分别与面板、底板间角焊缝、隔板与底板间角焊缝均为复合焊缝（底层焊缝（层数：1层，气保焊作业）+封底焊缝（层数：1～2层，埋弧焊作业））。最终成形焊缝表面呈圆弧减弱形，长侧板与面板间角焊缝、底板与隔板间角焊缝的焊脚高度均不宜超过8mm。
论文作者:李成东
论文发表刊物:《防护工程》2018年第22期
论文发表时间:2018/11/22
标签：面板论文; 底板论文; 应力论文; 隔板论文; 顺序论文; 作业论文; 结构论文; 《防护工程》2018年第22期论文;