一種封頭多支柱焊接防變形工裝的研究與應用

摘 要：文章介紹了一種封頭多支柱焊接防變形工裝，通過剛性固定、精確定位、反變形措施，有效減小了支柱的焊接變形，保證了支柱的焊接質量，同時也減輕了裝配難度。

關鍵詞：封頭多支柱；防變形；剛性固定；反變形

引言

立式壓力容器與地面的固定支座形式主要有腿式支座、耳式支座、支承式支座及裙座。支座與容器均采用焊接形式連接，裝焊過程容易變形。圖1所示為該廠生產的某種立式容器設備局部示意結構，其整體主要由上封頭、筒體、下封頭組成；下封頭有多用于現場安裝固定的支柱組件，該支柱組件由支柱和底板焊接而成。

因其焊接技術要求高，特別是安全級別要求更高，故對其裝配、焊接質量要求較高[3]。裝焊時支柱組件軸線與封頭軸線平行，均布在以封頭軸線為中心的約Φ3600mm的圓周上，各支柱組件相對封頭四中心線的位置度為Φ5.1mm，裝焊成形后底板需在同一高度。然而，支柱組件與封頭相焊一端的坡口形式屬于變角度異形坡口，焊接量大且各個支柱焊縫形式不對稱，焊接時極易因為變形而達不到產品的技術要求。文章針對此種封頭多支柱焊接結構的裝焊工藝及防變形工裝進行了研究。

1 支柱加工、裝焊方案分析

由于焊接過程中焊件受熱往往不均勻，被焊金屬各部分受熱時的膨脹與冷卻時的收縮情況也不相同，導致焊件不均勻不均勻的膨脹與收縮，從而使焊件內部產生焊接應力而引起焊接變形。而本支柱與封頭間的焊接坡口各向均不相同，必然導致支柱焊縫各處收縮不均，從而使立柱發生變形。

同時考慮到支柱是直接焊在封頭球面上，單個裝配、焊接很難保證各支柱的位置度和一致性，故必須采用的裝焊工藝為：將各支柱聯成一整體進行坡口加工及裝焊。因此必須設計一種防變形工裝來實現上述工藝。

2 防變形工裝結構、特點

2.1 防變形工裝結構

為實現支柱同時裝配、焊接的需求，我們設計了防變形工裝，如圖2。其主體結構自下而上由固定環構件、定位銷、螺栓、V形板、半環組成。

固定環構件為環狀八角形，是整個防變形工裝的基礎。其主體由厚鋼板拼焊而成，保證在使用過程中具有很好的剛性，同時，其上、下表面經機加工而成，使各支柱組件具有同一基礎平面。構件上等分加工有銷孔和螺紋孔，用于對支柱組件進行中心定位及把緊。在每處銷孔及螺紋孔處外側附近焊有箱形臺面，臺面高度略低于支柱坡口最低位置。

定位銷實現對支柱進行中心定位。定位銷直徑與固定環構件上定位銷孔和底板上孔進行配加工，保證其定位精確。

V形板為一端帶V形缺口的方板，V形缺口為支柱上部的定位基準，V形缺口兩側的板側面各加工有螺紋孔，用于連接半環，以對支柱上部進行緊固。V形板與固定環構件的凸起臺面進行連接固定。

半環為半圓環狀，圓環內徑與支柱外徑相配。半環兩端部設置兩小直段，并加工有通孔，通過通孔可將半環與V形板用螺栓進行連接，以達到將支柱進行固定作用。

使用時，各支柱組件底面均落在固定環構件上機加表面，底板上的中心孔通過定位銷與固定環構件進行配合定位，用螺栓穿過底板上4個通孔將支柱底板與固定環構件進行擰緊；V形板與半環套在支柱上部外圓后也通過螺栓連接并擰緊，即將支柱上部固定后V形板與固定環構件的箱形臺面也通過螺栓進行固定，此時支柱組件的下部和上部均已固定，即各支柱已通過防變形工裝固定成一個剛性整體。此時將已固定成一個整體的支柱組件進行端部圓弧面車加工即可保證各支柱組件的加工尺寸完全一致；同時也可將各支柱組件作為一個整體與封頭進行對接焊，保證各支柱裝配尺寸、焊接變形情況完全相同。

2.2 防變形工裝特點

2.2.1 較高的定位精度。為了保證各支柱組件從裝配直至焊接完成后都能保持比較高的位置精度，防變形工裝本身須有比產品要求更高的定位精度。為此，采取的措施有：利用高精度機床加工固定環構件上的定位銷孔，保證銷孔定位精度；提高支柱底板中心孔和定位銷的尺寸公差，保證定位銷與固定環構件、支柱底板中心孔配合精度。同時此種銷孔配合的定位方式也大大減輕了裝配工藝難度。

2.2.2 整體剛性固定。各支柱分布尺寸大，同時焊接量大且不對稱導致變形量大，要想整體裝配同時防止支柱焊接變形過大，必須保證工裝的整體剛性。為此，我們使用較厚鋼板制做固定環構件，并加寬環板寬度，如若有必要，固定環構件的環形結構也可設計為箱形結構；同時，支柱組件應對其上、下部同時進行固定，即對其底板進行固定的同時，利用V形板及半環對其上部也進行固定。

2.2.3 采取反變形措施。根據對支柱組件的焊接變形趨勢進行分析及實際焊接變形經驗，支柱組件焊接完成后，各支柱底板端均向封頭軸線方向有變形。據此，支柱組件實際裝配分布圓位置比理論位置稍向外偏移。

3 工裝的應用效果

通過此防變形工裝，將各支柱組件固定為一剛性整體，在立車上可一次性將各支柱組件與封頭端相配的圓弧面均加工出來，加工效率高，同時圓弧面坡口尺寸一致性好；坡口加工后將各支柱組件同時裝配在封頭上進行焊接，大大減輕了裝配難度，同時保證了裝配精度，焊接過程各支柱間剛性連接，焊接變形可通過相互間制約而達到減小目的。

4 結束語

此防變形工裝結構簡單，使用方便，既具備精確裝配定位功能，又起到防變形效果。通過剛性固定、定位銷精確定位、反變形等措施，有效解決了封頭多支柱焊接的防變形要求，同時減輕裝配難度，提高了裝配精度，同時也為變角度異形坡口焊接結構提供可借鑒經驗。

參考文獻

[1]中國機械工程學會焊接學會.焊接手冊，第1卷焊接方法與設備（第3版）[M].北京：機械工業出版社，2007.

[2]曾曉線，向凱，等.焊接應力和焊接變形控制[J].石油化工設備，2009，3.

[3]楊順田，彭美武.核電結構件焊接工藝與防變形[J].焊接技術，2012，7.

作者簡介：王永明（1986-），男，河北省秦皇島人，本科，哈電集團（秦皇島）重型裝備有限公司，助理工程師，主要從事核電設備及壓力容器制造工藝開發。