分析焊接鍋爐鋼架焊接變形的原因及控制措施

齊繼玄

【摘 要】焊接鍋爐鋼架在安裝過程中，為了保證安裝精度，必須防止焊接時變形。本文分析了鍋爐鋼架焊接變形的原因，并針對這一現象提出了對應的控制措施，有效減小其焊接變形，既提高了鍋爐焊接質量，同時降低了生產成本，為該產品制造提供了借鑒。

【關鍵詞】鍋爐鋼架;焊接;變形;控制措施

雖然我國對鍋爐鋼架結構焊接的研究已經由來已久，對其焊接變形的規律及矯正方法也有了一套相對成熟的施工方案，但是相關的研究還仍然處在經驗化階段，沒有比較科學的、定量的研究[1]。目前，我國鍋爐鋼架結構焊接施工方案大多依照經驗制定，若事后發生焊接變形，就采用加熱或冷拉的工藝處理，這必然會造成成本的增加和工期的延長。因此分析鍋爐鋼架焊接變形的原因，并找相對應的控制措施，從而提高焊接質量極其重要。

一、鍋爐鋼架焊接變形的原因

（一）焊接接頭復雜

對于每臺鍋爐，其爐立柱的對接接頭有三十多處，其焊接接頭較為復雜，包括組合焊縫、塔接、角接、對接等各種形式的接頭[2]。事實上，焊接接頭的殘余應變是影響焊接變形的最主要原因。

（二）焊接位置復雜

每臺鍋爐的焊接位置包括斜、仰、立、橫、平等，其位置的不同，造成了焊接技術的差異，其焊接過程中殘余應變也會各不相同，因此極易導致焊接變形。比如說，立柱不同位置的角接焊縫和對接焊縫不對稱的殘余應變會造成其彎曲變形，同時造成彎曲變形的另一重要原因是立柱對接節點兩側的支撐和重力作用。

（三）焊接結構復雜

鍋爐的對接鋼板尺寸不同，其結構較為復雜，焊縫集中處較多，極易產生較大的殘余應力，焊接過程中容易產生較大的變形。地面組合時，只要能保證焊腳尺寸和點固焊縫的長度，立柱與橫梁的（不論是否帶拉條）連接處會由于自身結構原因產生較大的固定剛度（即拘束度），從而有效地阻止了焊接變形。由于立柱的翼板之間和腹板之間對接焊縫的橫向殘余應變和腹板和翼板之間的角焊縫的縱向殘余應變，造成立柱對接節點處的縱向收縮變形和彎曲變形。

二、鍋爐鋼架焊接變形的的解決措施

（一）分析鍋爐變形部位，得出其關鍵變形部位

從鍋爐生產實際中出現的問題和鋼架節點的焊縫分布方式著手，仔細分析了鋼架整體安裝焊接流程及鋼架節點上焊縫的拘束度，尋找最容易產生焊接變形超標的部位[3]。在地面組合時，首先會成跨找正，當整體找正后方進行點固焊。因此，確保點固焊的強度，在正式焊接時，立柱與拉條、次梁或橫梁的連接點就形成一個高剛度結構，該結構可以有效的避免焊接變形，從而保證這些節點的安裝精度。立柱焊接發生在鋼架整體找正之前，除非是制造了特殊夾持條件，否則焊接變形就難以控制。所以只有掌握了焊接變形控制的工藝要點，方能將焊接變形掌握在標準之內。

（二）運用焊接模擬仿真技術，定量化分析焊接變形

鍋爐的焊接是一個及其復雜的過程，在這個過程中，材料會發生相變、高溫熔化、冷卻、凝固結晶等各種微觀結構變化及缺陷的生成和消失，其涉及一系列復雜的冶金、化學和物理變化，才成為焊接成品。這個復雜的焊接工藝的形成來自于相關人員的經驗積累，造成難以預計其優劣，故而會存在一些問題，如工作量較繁重、效率不高、對工藝設計人員要求較高等。沒有應用仿真技術，只能依靠工作人員一次次的實驗不同的工藝方法，在此基礎上來優化方案。這個過程需要耗費大量的時間、財力、物力和人力，其直接影響制造質量和數量，甚至影響經濟的發展。而鍋爐焊接過程中仿真技術的應用，使得這些復雜的物理冶金參數，如相變、變形、應變和應力等，測量變的更為容易，改變了定量化分析的窘況，使得焊接這門工藝向著更為科學的方向發展。鍋爐焊接中仿真技術的引用，能夠更為高效的優化工藝參數，有利于設計更為合理的工藝流程，降低項目成本，并縮短項目工期。因此，應用先進的仿真模擬軟件分析焊接工藝，必將成為現代化制造業發展的一個重要方向。

（三）施工前優化各種工藝參數和焊接順序

在施工工藝制定階段，采用焊接模擬仿真技術，在較為成熟的焊接工藝評定報告基礎上，優化冷卻條件、夾持條件、焊接順序、焊接工藝參數等影響因素，可以有效地控制焊接變形量，從而避免焊接完成后再做加熱矯正和機械矯正，節省了大量的經濟成本和時間成本。在大型制造業中，精確地控制和預測焊接變形極其重要，為提高其效率，在設計和制定施工工藝階段預制造過程中會出現的焊接變形，并對制造的每一步驟進行焊接變形分析，同時于生產中考慮到分段的變形量最小的確切的焊接余量。

（四）簡化模型，避免復雜計算并減少時間

在實際生產中，焊接是一個瞬間、生成劇變溫度場的復雜過程，涉及冶金作用和物理作用等復雜變化。如若采用三維瞬態模擬仿真技術，精確分析焊接應變及應力，同時分析焊接過程中逐步演化的趨勢，物理建模時間耗費巨大，哪怕利用高性能計算機進行計算也是非常耗時的。如果緊抓焊接變形這個要點，利用固有應變法對模型進行了極大的簡化，可以有效地節省生產中的時間成本、人工成本和經濟成本。

結語

綜上所述，由焊接鍋爐鋼架焊接接頭復雜、焊接位置復雜、焊接結構復雜變形的原因，焊縫集中處較多，容易產生較大的殘余應力，焊接過程中容易產生較大的變形。通過分析鍋爐變形部位，得出其關鍵變形部位;然后運用焊接模擬仿真技術，定量化分析焊接變形;并在施工前優化各種工藝參數和焊接順序;最后通過簡化模型，避免了復雜計算，同時減少時間成本。從而得到鋼結構焊接變形控制的關鍵工藝要點和施工原則，為今后的應用和研究提供參考。

參考文獻：

[1]金純，唐旭臣.略談鍋爐安裝質量控制要點[J].山東工業技術，2017（06）：84.

[2]孫永輝，孫文琦.電站鍋爐鋼結構焊接質量控制探究[J].建材發展導向（上），2019，17（8）：94.

[3]王東志.電站鍋爐空氣預熱器T型鋼焊接變形控制[J].金屬加工（熱加工），2016（24）：42-44.

（作者單位：山東電力工程咨詢院有限公司）