魯振華1 李茹娟2

摘要：本文分析了貯罐焊接產生應力的原因，介紹了引起變形的各種類型，重點闡述了在工程施工中如何采取措施控制焊接變形，提出了解決大型貯罐在工程施工中焊接變形的有效措施。
關鍵詞： 貯罐  焊接變形  應力
關于焊接變形
工件焊接后一般都有程度不同的變形，最常見的幾種焊接變形有角變形、彎曲變形、波浪變形、扭曲變形等。如果變形量超過允許值就需要進行矯正。有的矯正雖然能夠達到使用要求，得要占用較多的時間，如果變形量較大，還可能會引發事故。化工企業的容器、設備、構架等尺寸較大，如發生整體變形就很難矯正。為此，我們在制作安裝大型貯罐、容器時必須制定周密地焊接方案和措施，使變形控制在設計允許的范圍內。以下筆者就焊接變形和應力產生的原因及控制辦法談一些粗淺的體會。
焊接變形與產生應力的原因分析
眾所周知金屬有熱脹冷縮的規律。在焊接時，焊縫及近縫區金屬承受了局部高溫加熱，而與之相鄰的“冷”金屬又約束它們不能自由膨脹，這就必然產生不可恢復的壓縮性變形。另外，產生了高溫壓縮性變形的焊縫及近縫區，如果自由冷卻到常溫，它們的長度必然比原來縮短，然而仍然由于鄰近金屬的制約而使之不能自由縮短，這不僅帶來金屬構件的變形而且還在其內部產生巨大應力。因此，局部的，不均勻對焊件的加熱，是最終導致了焊件的變形及應力產生的根本原因。

焊接變形的收縮形式及應力分析

焊縫和熱影響區金屬的橫向收縮及引起的應力
當工件在焊接時加熱膨脹，這時由于焊接區處于液體狀態，金屬的膨脹不會使鋼板長度增大而保持原來的裝配尺寸，對雙面對稱焊口（如X型）對接焊縫冷卻時，由于焊縫金屬和熱影響區母材的收縮，長度會縮短，收縮量與溶敷金屬的線膨脹系數和焊縫截面寬度（包括熱影響區）成正比。同樣，工件單面剖口或雙面不對稱剖口（如V型）對焊接時的橫向收縮將造成角變形。
      在同樣情況下，當此工件兩端固定而無法收縮時，則整個工件受到很大的拉力，這就是所謂的工件內部產生了橫向拉應力。如果工件沒有足夠的剛性抵御焊接應力，必然會產生變形。工件焊接成型后還保留的應力及變形稱為殘余應力及殘余變形。
焊縫和熱影響區金屬的縱向收縮及引起的應力
    當工件在焊接時，除有上述的橫向收縮外，縱向也要發生膨脹和收縮。鋼板原有長度是L0，受熱后伸長L1，因為金屬的線膨脹系數在加熱和冷卻時一樣，所以冷卻后的鋼板欲恢復到原來的數值L0，但由于鋼板的寬度遠遠大于焊縫的寬度，這時焊縫和熱影響區的金屬不能自膨脹和收縮，它將受到鄰近的鋼板的牽制，這就使鋼板產生復雜的變形和應力。
下面就焊縫縱向收縮引起的變形和應力進行分析：
當金屬在焊接區周圍金屬之間的溫差很大，沿垂直焊縫方向的溫度分布為焊縫處的溫度最高，離焊縫稍遠處急劇下降，根據鋼板各點溫度不同，它們各點的伸長也不一樣，但事實上，這種變形是不可能的，因為焊縫兩側的金屬不允許它伸長，所以產生拉伸應力；冷卻時，焊縫及管焊縫的溫度降低很多，應該有很大的收縮，但由于兩側金屬溫度變化不大的制約，它們的收縮受阻而只能部分收縮，則內部將存在殘余拉應力。而相反，兩側金屬受焊縫的壓迫將存在殘余壓應力。另外，焊縫的縱向收縮同時會引起橫向應力。
焊縫先后冷卻引起的應力分析
人們往往會忽略焊縫的冷卻凝固的先后問題，好像整條焊縫是同時加熱同時冷卻的。實際上每條焊縫總是逐步焊成并依次加熱和冷卻，前一段已經冷卻凝固，必然要妨礙后一段的橫向收縮，結果在先焊的焊縫中引起橫向壓應力，后焊的焊縫中則有橫向拉應力存在。如一條長焊縫，從一端至另一端的單向焊，從兩端向中心施焊，從中心向兩端施焊三種工況下，引起的橫向應力分布明顯不同。其中第二種的施焊方法最不好，因為焊縫縱向收縮會引起的橫向應力疊加，不僅拉應力還有壓應力都要大大增加，所以我們在施焊長焊縫時，大多采用向兩端而不采用從兩端向中心施焊的焊接工藝，就是為了減小應力這個道理。
大型貯罐焊接組裝談形的對策
根據上述對焊接變形原因及應力產生原因的分析，筆者認為，雖然理論上我們可以采取很多措施減少應力產生和控制焊接變形，但最有效又實用的方法還是通過剛性固定和調整焊接順序兩種手段。在此，我按貯罐的幾大主要部件安裝順序，闡述其在制造過程中的靈活運用。

罐壁板的焊接
焊前措施：
檢查設備基礎。基礎的質量對貯罐底板的形式有很大的影響。如果基礎偏差數據不合格，基礎沉降超標，均應要求土建單位處理合格后方能接收。
壁板下料時要嚴格控制壁板的寬度偏差在1mm范圍內。在壁板滾圓時，弧度要達到要求，且要減少板兩頭直邊量。
焊接措施：
罐壁板焊接坡口形式通常有X和V型兩種，焊縫截面寬，焊接工程量大，如處理不當，極易造成罐體焊接變形。
罐壁板變形一般易發生在較薄的壁板部位。一般是由于環縫反面清根較深，焊接時局部受熱過大而引起的較大收縮變形，失穩造成局部較大面積內凹。經過實踐證明，如果在環縫開坡口不留鈍邊且預留三～五處50mm的部位不開坡口的辦法較好。一可保證環縫間隙，二可單面焊透性好，三可使反面清根較淺且相對均勻，焊接量也相對減少。
為防止帶板直縫的橫向收縮引起罐壁向內凹陷的角變形，焊前在帶板內側加防變形弧形板，弧形板點焊在帶板上，并在近焊縫處開凹槽。為防止帶板環縫的縱向收縮，用相隔一定距離的定位板通過楔子對上、下壁板進行對口找正、固定，然后以長度40～60mm，且每隔0.5m左右點焊，這時應由幾名焊工沿圓周平均分布同時向一個方向邊打磨坡口，邊施焊，先焊罐內，后焊罐外，直到結束。在上、下壁板對接組焊時，對有丁字縫處的焊縫，必須遵循先焊完立縫、再焊環縫的原則。這樣有利于立縫焊接時的橫向收縮、有利于改善丁字縫的變形和降低產生的熱應力。
罐底板的焊接

罐底板的焊接要求及采取的措施
底板排版時應盡使焊縫最少，且焊縫以中心線對稱布置。為補償罐底板焊接收縮，排底板時，應將設計直徑放大2/1000。底板拼縫宜采用帶墊板的對接焊縫或者Z型搭接焊縫，這種結構相當于鋼板在焊接位置增加了加強筋，增強了底板的結構剛度，增強了抵抗失穩變形的能力，還能使橫向收縮變形與角變形變小。
底板按要求鋪好后，按排版圖在罐底中心條板上劃出十字線，十字線與罐基本中心線應重合，并在罐底的中心點打樣眼沖出中心標記。以此為圓心，以等于底板的安裝半徑在底板上畫圓。檢查底板鋪設是否符合要求。如有偏差，應加以調整，直至符合要求方可點焊。
罐底板采用V型對接焊縫時，為了減小焊縫引起的橫向收縮變形，必須使罐底在焊接時在垂直于焊縫的方向能自由伸縮，應采取先焊短縫，后焊長縫的辦法。焊接時應遵循 “長焊縫焊接應從中間向兩端施焊”的原理，由多名焊工采用基本相同的工藝同時從中間向兩邊對稱施焊，焊時采用分段倒退焊，并注意控制溫升。
底板施焊時，宜按下述程序進行：即先焊邊緣板對接靠外側300mm部分再焊中幅板短縫，再焊中幅板長縫，待罐壁與底板間的丁字角焊縫焊完后，焊邊緣板剩余對接焊縫，最后施焊邊緣板與中幅板間的搭接縫。其具體程序和方法如下：
先施焊邊緣板對接焊縫靠外側300mm部分（邊緣板內側的焊縫間隙應比外側的焊縫間隙大2～3mm，因為邊緣板外部收縮大，內部收縮小），再焊中心條板短縫，再焊相鄰兩側中幅板短縫，短縫施焊時，應將長縫的定位焊割開，相鄰兩板短縫焊完后，再焊兩板間的對接長縫。長縫施焊時，中幅板要用定位板事先固定，焊工應均勻對稱分布，由中心開始向外依次分段（每段400～500）倒退焊，當焊至距邊緣300mm時停止施焊，依次類推，直至所有中幅板焊完。
罐底焊接時，須采取以下防變形（剛性固定法）措施：
A）焊接短縫時，應在焊縫的兩端離邊緣150mm打上背板（背板長度不小于600mm，寬度不小于150mm）。
B）焊接通長縫時，用龍門定位板將槽鋼固定于焊縫兩側，離焊縫200mm并卡緊。
C）在中腹板對接焊縫、邊緣板對接焊縫焊完后，進行下一工序前，用大錘敲擊焊縫兩側，可以消除部分殘余焊接應力并使應力分布較均勻。
底板與底部帶板焊接的要求及采取的措施
當罐體采用倒裝法施工，底板與底部帶板的角環焊縫是罐壁結構的最后一道長焊縫。施焊前，底圈罐內壁與邊緣板之間每隔1.5m應打一斜撐，與罐壁成45度角，支桿長度1.2左右。以防底板變形。
施焊底板與帶板的丁字環焊縫時，數名焊工均勻布罐內側，以同樣的焊接方向和速度，同時進行分段（每段500mm）的倒退焊。當內側丁字環縫第一遍施焊完后，焊工轉到罐外側，以同樣方法施焊外側丁字縫。當外側丁字縫施焊至規定的高度后，再進入罐內，完成內側丁字縫的施焊。
上述丁字縫施焊完后，開始施焊弓形邊緣板間剩余的對接焊縫。施焊時，數名焊工均勻布對稱隔縫施焊。最后，施焊邊緣板與中幅板間搭接縫。施焊時，數名焊工均勻布以同樣焊接方向和焊接速度進行分段（每段500mm）倒退焊。
罐頂板焊接
頂板組對完后，用樣板對其進行檢查，合格后，即可組織焊工進行焊接。施焊時，先按施工圖要求，在罐內側組焊兩相鄰瓜皮板下筋板間的所有連接板，然后，按圖中所要求的間斷焊，施焊罐內側瓜皮相間的縱向搭接縫。最后，數名焊工均勻布置于罐內，按圖中焊接要求，以同樣施焊方向施焊頂板與錐形加強圈的環向搭接縫。
當頂板內側所有組對焊縫施焊完后，開始施焊板外側的組對焊縫，施焊時，4名焊工于中央位置，以相同的速度同時由中心向外，以分段（每段400mm）倒退焊的方式，對稱施焊。
當所有徑向搭接縫焊完后，施焊頂板與錐形加強圈外的環向搭接縫，施焊時8名焊工均勻分布，以同樣焊接方向和焊接速度，進行分段（每段400mm）倒退焊，直至該焊縫焊完。
瓜皮板組焊完畢后，組焊中心頂板，當中心頂板吊裝就位且檢查合格后，點焊定位，然后2名焊工站在相對的位置，以同樣焊接方向和速度，分段倒退施焊此縫。
控制焊接變形的其他措施
盡量選擇大規格的鋼板。由于焊縫的縱向收縮量與焊縫長度成正比，采用大規格鋼板后，焊縫長度大量減少，縱向收縮變形相應減少，同時減少了焊接工作量，降低材料消耗，節約了人力物力，縮短了工期，提高了效益。
采用自動焊、半自動焊等先進施工工藝控制焊接變形�？刂坪附泳�能量，減少焊接電流，采用自動焊或二氧化碳氣體保護焊進行焊接，在保證能焊透的前提下，降低焊接線能量，提高焊速等焊接工藝措施可有效減少焊接變形。
小結
隨著國民經濟的高速發展，貯罐制作安裝工作量正朝著體積大、重量重、材質多樣化等方向發展，對焊接中焊接變形的控制越來越嚴格。只有對焊接變形產生的根源做好認真分析，在焊接過程中采取有效的防范措施，才能將焊接變形控制在合理的范圍內。