電站鍋爐膜式壁堆焊工藝技術研究

胡婧

哈爾濱鍋爐廠有限責任公司 黑龍江哈爾濱 15004

隨著我國電站鍋爐膜式壁堆焊工藝技術水平的不斷提高，保障電站鍋爐生產運行的性能安全和提升運行效率越來越重要。在這種情況下，更加科學優化的電站鍋爐膜式壁堆焊工藝技術就顯得非常重要，對于推動我國向更加先進的鍋爐膜式壁堆焊工藝推進具有很重要的作用[1]。

1 電站鍋爐膜式壁堆焊工藝技術研究的意義

電站鍋爐膜式壁堆焊工藝技術是通過使用焊接熱能把達到使用要求的材料熱敷在焊件物件的上，從而達到冶金相互緊密結合的目的。堆焊物件的目的并不僅僅是為了保持不同物件相互鏈接起來，它的目的還有：利用焊接的方式在焊接物件的外面形成耐磨性能好、抗腐蝕性能強以及耐熱的特殊金屬材料層；或者可以恢復受損構件以及延長焊件的大小尺寸。從而達到大大提升物件的工作壽命、降低焊件的維修和制造成本；并且還可以有效縮短維修受損焊接的時間，從而減少電站鍋爐的停機時間，提高電站鍋爐的生產效率。除此之外，電站鍋爐膜式壁使用堆焊工藝可以更加合理的使用材料，獲得更加優良的性能。因此，優化電站鍋爐膜式壁堆焊工藝技術研究很有必要。

2 有限元計算模型

2.1 熱源計算模型

在焊接物件的焊接過程中，影響焊接質量主要因素之一就是焊接的熱過程。所以，準確的測定焊接的熱過程是保證焊接質量的基礎。物件的焊接是局部快速升溫，然后迅速冷卻的過程。隨著熱源位置的改變，焊件的溫度跟隨熱源位置的變化而變化。此時，焊件的物理性能發生劇烈變化，同時存在融化和變相的潛熱情況發生。這個時候，它的溫度場就需要采用三維瞬態焊接溫度場作為對象。

非線性瞬態熱傳導問題的控制方程為：即：公式(2-1)

（其中，ρ是材料的密度、c是材料的比熱、λ是材料的導熱系數。）

當焊接焊件導熱時存在三類邊界情況：

第一種焊件材料邊界情況，可以得到焊件材料邊界的溫度值，即：公式（2-2）

TS=TS（x， y， z， t）

第二種焊件材料邊界情況，可以得到焊件材料邊界的熱流密度分布，即：公式（2-3）

第三種焊件材料邊界情況，可以得到焊件材料邊界上熱交換，即：公式（2-4）

第四種焊件材料邊界情況，特殊情形五熱交換，即：公式（2-5）

（其中，n 是焊件材料邊界外法線指向方向、q是焊件材料單位面積上的外部環境輸入材料內部熱能能力、α是焊件材料熱交換系數、Ta焊件材料的周圍其它介質材料的溫度。）

當使用有限元這種方式來解膜式壁堆焊熱傳導相關問題的時候，為了求解方便，常常需要把求解問題轉為成求泛函極值的變分問題，對焊件分割有限元，從而類似成簡單的線性方程。

2.2 網格劃分與單元的選取

（1）網格劃分原則。電站鍋爐膜式壁堆焊是一個溫度變化速率很快的過程，變化范圍大。所以，在堆焊的過程中，可以采用不均勻網格劃分方式來對物件進行劃分，具體來說是：需要采用網格劃分把物件焊縫和它周邊進行很精密的劃分，而在物件焊縫較遠的地方網格劃分可以不用那么精密。物件焊縫以及周邊網格劃分的大小尺寸是焊接熔池寬度的1/4至1/3之間。

（2）單元選取原則。根據彈性力學原理可以得出，物件的板厚 t 與物件的板面尺寸min值 b 的比值范圍是：

在我們的實際工程運用很廣泛，因為在幾何上存在一個方向軸的尺寸相比兩外兩個方向軸倍數相差很大的原因。所以可以采用結構力學的原理提出一個假設條件，把三維問題簡化成簡單的二維問題。這種簡化大大方便了求解的過程，縮減了原本很大的計算工作量，并且還可以有效的避免在方程系的求解過程中，系數矩陣偏大的問題。

（3）熔化相變潛熱。當焊接材料發生狀態變化的時候，會有潛熱能量的產生和吸收。固態物質變相的時候，它的潛熱能量相比融化的時候相差很多。通常來說，0．5Mo鋼材料不會發生固態相變情況，所以在計算的時候不用考慮固態變相時候發生的潛熱能量變化。

3 電站鍋爐膜式壁堆焊變形規律研究

電站鍋爐膜式壁堆焊變形可以分為堆焊焊件縱向變形、堆焊焊件橫向變形、堆焊焊件角變形、堆焊焊件彎曲變形以及堆焊焊件扭曲變形等等變形形式；還可以分為整體和局部這兩種變形形式，通常來說，堆焊焊件整體變形對結構的影響很大，矯正恢復比較困難；堆焊焊件局部變形對結構的整體性相對來說影響偏小，容易恢復矯正。因為數值計算科學技術的大力發展，對于研究堆焊焊件的變形常常使用有限元法[2]。

縱向不同界面變形滿足公式（2-6）

（其中，k是分布系數、Vmi是縱向不同界面的時候單道焊堆焊變形、θ是周向距離，它的單位是度。）

圖1 模擬件堆焊后的周向變形

如上圖所示，當物件的軸向是1800mm的時候，當V / Vmi=0．95 的時候，分布系數 k=530；當 V / Vmi=0．5 的時候，分布系數 k=810；當 V / Vmi=0．2 的時候，分布系數 k=950。

物件的焊接速度也是一個非常重要的指標。在焊接的其它因素確定的時候，當物件的焊接速度偏快的時候，在單位時長內，傳遞到物件的熱量相比焊接速度慢有所減少，致使焊接物件的溫度達不到焊接所需要的問題條件，這樣就無法保證焊接金屬達到焊接所必須的熱塑性狀態。與此同時，物件的焊接形變也會相應的減小[3]。物件的焊接形變量會跟隨熱量輸入量的多少等比例變化。所以，適當的提高物件焊接速度可以有效的降低物件焊接的變形程度。

4 結語

對影響電站鍋爐膜式壁堆焊工藝技術的因素，如熱輸入、焊接速度、工裝參數、焊接順序等進行了深入探討，總結了其規律。有利于優化電站鍋爐膜式壁堆焊工藝技術，它不僅可以很大的提高電站鍋爐的工作效率，增加本鍋爐廠生產的安全性，從而增加本鍋爐廠的經濟效益。