大直徑筒段焊接變形控制工藝研究

崔衛(wèi)則，賈江鵬，黃愛斌，王晉平，吳海麗

(山西航天清華裝備有限責任公司，山西 長治 046012)

1 大直徑筒段的結(jié)構(gòu)特點及技術(shù)難點

某大直徑筒段由筒體與前、后端框組焊而成，筒體直徑達Φ4 000 mm、高度達3 000 mm，四周均布4個Φ800 mm安全孔并焊接圍欄，理論成品壁厚為20±1.5 mm，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。該筒段圖紙技術(shù)要求高，制作難度大。筒段焊接加工工藝的主要技術(shù)難點為：①為了保證最終筒體內(nèi)圓圓度≤0.3 mm，需要在卷圓工序中將圓度控制在≤1 mm；②筒體縱焊縫、筒體與端框環(huán)焊縫等級要求為Ⅰ級，一次交驗合格率難以保證；③厚板雙面埋弧自動焊熱輸入大，在焊接局部加熱和冷卻的條件下，接頭在冷卻過程中形成較大的拉應(yīng)力，導(dǎo)致焊縫及其周圍區(qū)域產(chǎn)生很大的焊接變形；④四周4個安全孔的開制焊接引起的焊接變形量大且焊接變形趨勢復(fù)雜；⑤焊接變形后的直徑影響最終筒體壁厚。

圖1 大直徑筒段結(jié)構(gòu)示意圖

本文對影響焊接變形的幾個因素進行細致深入的分析，采取有針對性的防變形措施，為控制大直徑復(fù)雜筒段焊接變形研究出優(yōu)化的工藝方法。

2 卷圓校圓控制

卷圓校圓工序直接影響最終筒體壁厚，為了保證筒體壁厚為20±1.5 mm，需在卷圓工序?qū)⑼搀w圓度控制在≤1 mm，并嚴格控制鋼板卷圓前尺寸精度和形位公差。對鋼板銑鏜外形及坡口尺寸進行嚴格控制，確保鋼板尺寸精度和形位公差符合工藝要求，即兩邊平行度≤0.2 mm，兩對角線長度偏差≤1 mm，垂直度≤0.3 mm。

卷圓校圓過程中需嚴格控制圓度。首先，使用油壓機及專用壓模預(yù)壓兩端圓弧半徑R，壓制后不允許R部位有直線段存在；然后，采用卷板機卷制成圓筒，如圖2所示；最后，采用校圓機進行校圓，保證內(nèi)圓半徑R，圓弧曲率應(yīng)達到樣板與筒體貼合嚴密，其間隙不大于1 mm，卷制后兩短邊對正、對齊無錯位。通過該工藝方法可將筒體圓度控制在≤1 mm。

圖2 卷圓示意圖

3 變形工裝設(shè)計及安裝

筒體與端框之間環(huán)焊縫焊接熱輸入大且焊縫長達12 000 mm，焊接內(nèi)側(cè)坡口后焊接外側(cè)坡口，焊接收縮會產(chǎn)生大量焊接變形，為了有效控制筒體的焊接變形，設(shè)計防變形工裝——漲圈。漲圈是用于漲緊內(nèi)圓，對外圓進行施焊、機加的一種夾具。漲圈需具有足夠的剛度、強度，能有效防止筒段變形，可根據(jù)周邊螺栓漲緊方式和材料彈性變形原理設(shè)計，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 漲圈結(jié)構(gòu)示意圖

在筒體兩端面各裝配1組漲圈，漲圈安裝位置見圖4。裝配漲圈前打磨去除焊縫余高，以保證漲圈表面與筒體貼合；每組漲圈漲緊前應(yīng)使用內(nèi)徑千分尺測量內(nèi)徑，在漲圈位置附近選取32處對稱點進行測量，以保證漲圈漲緊處筒體內(nèi)徑尺寸。

圖4 漲圈安裝位置

4 焊接工藝

4.1 焊前準備

筒體裝配必須保證間隙均勻、高低平整，要求兩接頭錯位≤1 mm；清理干凈待焊部位及周圍30 mm范圍內(nèi)油污、鐵銹等影響焊接質(zhì)量的雜質(zhì)至露出母材金屬光澤；環(huán)境溫度不低于10 ℃，相對濕度不大于75%；將焊絲表面的銹蝕、油污清理干凈,有局部折彎時應(yīng)在盤絲機上校直,露出金屬光澤。

4.2 焊接

施焊過程中，每層焊畢必須仔細清理該層表面的氣孔、夾渣、裂紋等缺陷，清理干凈后方可繼續(xù)施焊，施焊時起弧和熄弧處不允許重疊。焊前應(yīng)先進行定位焊，再進行封底焊，清根處理后焊接外側(cè)坡口。環(huán)焊縫封底焊采用混合氣體保護半自動焊，使用ER50-6焊絲，直徑為Φ1.2 m。環(huán)焊縫填充、蓋面焊采用埋弧自動焊，使用H10Mn2焊絲，直徑為Φ5 mm，焊劑為HJ431。焊前待焊部位及周圍100 mm范圍內(nèi)應(yīng)進行預(yù)熱，預(yù)熱溫度為100 ℃～150 ℃。焊后清渣、去飛濺。為了保證焊縫質(zhì)量達到Ⅰ級，且滿足力學(xué)性能要求，按筒體內(nèi)、外側(cè)環(huán)向焊縫封底焊及埋弧焊焊接工藝規(guī)范及要求焊接試板。焊接參數(shù)見表1。

表1 焊接參數(shù)

5 立車及壁厚檢測

焊接完成后，在立車上加工內(nèi)外圓，在加工前需預(yù)測內(nèi)圓加工余量，在筒體端面分36點連線，每條線測點不少于12點。機加后，使用內(nèi)徑千分尺測量內(nèi)徑，軸向間距500 mm進行徑向測量，徑向測量時在每圈取8點(見圖1)進行測量，并記錄筒體內(nèi)徑尺寸。端面及內(nèi)外圓加工后，按圖1所示位置檢測環(huán)焊縫處壁厚、安全孔壁厚，檢測結(jié)果見表2和表3。其中，安全孔1、2、3、4對應(yīng)圖1中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ象限位置處。

表2 環(huán)焊縫處壁厚值 mm

表3 安全孔焊縫處壁厚值 mm

由表2可知，環(huán)焊縫處壁厚最大值為21.4 mm，最小值為18.5 mm，在設(shè)計圖紙要求筒體壁厚20±2 mm范圍內(nèi)，滿足設(shè)計要求的壁厚要求。由表3可知，安全孔附近壁厚最大值為21.9 mm，最小值為18.1 mm，滿足設(shè)計要求的壁厚要求。綜上，說明環(huán)焊縫處及安全孔處防變形控制措施有效控制了焊接變形。

6 結(jié)束語

通過研究分析大直徑筒段結(jié)構(gòu)特點，總結(jié)以往成熟經(jīng)驗，在影響焊接變形的卷圓、校圓、工裝設(shè)計、焊接等各方面采取防變形控制措施，并通過持續(xù)不斷的優(yōu)化改進，有效控制了大直徑復(fù)雜筒段焊接變形，降低了后續(xù)工序工作難度和工作量，保證了產(chǎn)品的外觀質(zhì)量與使用壽命。該控制大直徑復(fù)雜筒段焊接變形技術(shù)，具有重要的參考價值和經(jīng)濟效益，可以推廣應(yīng)用到其他同類型筒段產(chǎn)品中。