CN109128444B - 防止蒸汽头板焊接变形的焊接方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了防止蒸汽头板焊接变形的焊接方法及装置，属于焊接技术领域，所述焊接方法包括如下步骤：选取蒸汽头板，根据蒸汽头板上焊接的蒸汽头筋板的数量利用反变形法制造蒸汽头板焊接变形的相反方向的弧形模具；把蒸汽头板贴合在弧形模具上，用虾弓码夹紧；在蒸汽头板上焊接蒸汽头筋板，焊接蒸汽头筋板的顺序为从中间往两端焊接，且间隔一块筋板焊接，当焊接到两端后，再从中间往两端的方式把中间间隔的蒸汽头筋板依次焊接，完成焊接，焊接完成后，待焊缝冷却至常温后方将蒸汽头板拆卸下来，然后使用油压机对局部的焊接变形进行校平。该方法时焊缝外观优良，构件也美观，保证整个工程不锈钢设备的质量达标，也保证了工厂的安全与高效生产。

Description

防止蒸汽头板焊接变形的焊接方法及装置

技术领域

本发明涉及焊接技术领域，尤其涉及防止蒸汽头板焊接变形的焊接方法及装置。

背景技术

乌拉圭项目设备(蒸发器2效～7效、表面冷凝器)中，其内件部分蒸汽头板的加工制造是重点也是难点之一。其材质均为ASME SA240M 304，主体板材厚度为16mm，筋板厚度为16mm。在焊接方面虽然采用了CO2不锈钢药芯焊丝焊接，并采用小电流、慢速焊接，焊接角焊缝高度为5mm的焊接工艺，但是由于焊接量较大，仍出现了大小不一的焊接变形。所有蒸汽头基本结构都如图1所示。一般由四个零部件构成，如图中所示1K、2K、3K、4K。每个零部件即主体板与筋板的焊接都会引起局部的焊接变形，若不进行有效控制将会对蒸汽头的整体组装造成不利影响。现介绍蒸汽头板的施焊工艺措施、焊接注意事项和反变形控制。

在焊接过程中膨胀与收缩作用于焊接金属与基材上，焊缝与因局部被加热而形成很大的温度阶梯，冷却时焊接金属试图正常收缩至室温时的体积。但是熔化的焊接金属因基材而受到约束，焊缝金属与基材之间就会产生应力集中。焊缝附近区域因此产生应力集中而伸展或弯曲或变薄，这些超过焊缝金属的屈服应力的集中释放就形成了永久的变形。当焊接温度接近室温，整个基材受到约束而无法变形，金属的伸缩应力就接近屈服应力。如果约束(夹具固定标志或反收缩力)取消，残余应力释放基材将发生迁移，焊接工件将产生变形。金属内部结构因焊接不均匀的加热和冷却产生的内应力叫做焊接应力，由焊接应力造成的变形叫做焊接变形。

焊接残余应力和应变不仅影响到焊接结构尺寸的精度和外形美观度，而且还有可能降低焊接结构的承载能力从而影响其使用性能和使用寿命。焊接变形与残余应力同时残存于焊接结构中，焊接残余变形会造成构件形状和尺寸的变化，如纵向、横向收缩使构件尺寸变短，若超出尺寸公差允许的范围，会使构件报废。

发明内容

本发明的目的在于提供防止蒸汽头板焊接变形的焊接方法及装置，解决现有蒸汽头板焊接时容易变形的技术问题。

防止蒸汽头板焊接变形的焊接方法，所述焊接方法包括如下步骤：

选取蒸汽头板，根据蒸汽头板上焊接的蒸汽头筋板的数量利用反变形法制造蒸汽头板焊接变形的相反方向的弧形模具；

把蒸汽头板贴合在弧形模具上，用虾弓码夹紧；

在蒸汽头板上焊接蒸汽头筋板，焊接蒸汽头筋板的顺序为从中间往两端焊接，且间隔一块筋板焊接，当焊接到两端后，再从中间往两端的方式把中间间隔的蒸汽头筋板依次焊接，完成焊接，

焊接完成后，待焊缝冷却至常温后方将蒸汽头板拆卸下来，然后使用油压机对局部的焊接变形进行校平。

进一步地，所述利用反变形法制造弧形模具的具体哦过程为：

计算蒸汽头板上焊接的蒸汽头筋板的数量，根据样本测量每个蒸汽头筋板焊接冷却后引起蒸汽头板变形的角度，同时测出两块蒸汽头筋板之间的距离，则得到两块蒸汽头筋板之间的蒸汽头板变形弧度为蒸汽头板变形的角度，根据角度制造处弧形模具。

进一步地，所述弧形模具上设置有不锈钢模具垫块，弧形模具两边均使

用支撑杆固定支撑，固定支撑底部固定在直线的导轨上，固定弧形模具

结构。

进一步地，所述焊接蒸汽头筋板前需要对蒸汽头筋板的焊接坡口加工，

焊接坡口加工的具体过程为：

先用等离子切割机切割好30°的第一坡口和15°的第二坡口，然后使用铣边机进行对坡口和板面铣平。

进一步地，所述焊接蒸汽头筋板前需要焊前准备和焊接参数选用，

焊前准备，除去坡口表面的氧化皮、熔渣及表面层，并把凹凸不平处打磨

平整；

在蒸汽头筋板焊件坡口两侧各100mm范围内刷保护油或者石灰膏，防止焊接飞溅物沾污焊件表面的；

焊接时，药芯焊丝直流焊接时采用反极性；保护气体为CO2，其气体流量以20～25L/min；焊件与焊嘴的距离以15～20mm。

进一步地，所述焊接蒸汽头筋板时，层间需清除熔渣和两侧的飞溅物；焊缝表面不得有裂纹、肉眼可见的表面气孔、夹渣和焊瘤，表面焊缝与母材为圆滑过渡，焊缝为整齐、平滑呈均匀的波纹状，焊接时，蒸汽头筋板与蒸汽头筋板之间的层间温度低于60摄氏度。

进一步地，所述焊接蒸汽头筋板的具体过程为：

把蒸汽头筋板与蒸汽头板接触面分平均为左上方接脚、左下方接脚、右上方接脚和右下方接脚，先焊接蒸汽头筋板的左上方位置接脚，然后焊接右下方接脚，再焊接右上方接脚，最后焊接左下方接脚。

防止蒸汽头板焊接变形的焊接装置，所述焊接装置包括若干个虾弓码、支撑杆、蒸汽头板、蒸汽头筋板、弧形模具和若干块模具垫块，所述弧形模具设置为弧形板状结构，所述弧形模具凸面向上设置，支撑杆设置在弧形模具底部，若干块模具垫块均匀固定设置在弧形模具上表面，蒸汽头板贴合在弧形模具上表面，通过若干个虾弓码把蒸汽头板和弧形模具夹紧，所述蒸汽头筋板焊接在蒸汽头板上。

进一步地，本发明还包括导轨，所述导轨的个数为两条，导轨分别设置在弧形模具底部，且平行设置，支撑杆的底部固定在导轨上，所述弧形模具的两端均与导轨固定连接。

进一步地，所述蒸汽头板与蒸汽头筋板焊接位置设置为焊接坡口，焊接坡口包括第一坡口和第二坡口，第一坡口为30°，第二坡口为15°，所述蒸汽头筋板与蒸汽头板焊接处设置为焊脚，所述焊脚高度为5mm。

本发明采用了上述技术方案，本发明具有以下技术效果：

本发明通过使用反变形法，根据焊接引起的变形量，然后提前把变形量预设好，从而使得在焊接变形后刚好把预设的变形量相互抵消，从而达到防止焊接变形的效果，不仅焊缝外观优良，构件也美观，保证整个工程不锈钢设备的质量达标，也保证了工厂的安全与高效生产，在该项目的所有蒸发器蒸汽头板焊接均采取了以上控制变形的技术措施，变形均控制在规范范围内，取得了良好的效果。

附图说明

图1是本发明的蒸汽头基本结构示意图。

图2是本发明的防止蒸汽头板焊接变形装置结构是一头。

图3是本发明的防止蒸汽头板焊接变形装置模具结构示意图。

图4是本发明的蒸汽头板焊接好效果示意图。

图5是本发明的防止蒸汽头板焊接变形装置的垫板剖面图。

图6是本发明的蒸汽头板焊接变形变化结构图。

图7是本发明的蒸汽头主板于筋板焊接顺序示意图。

图中编号：1-导轨、2-虾弓码、3-支撑杆、4-蒸汽头板、5-蒸汽头筋板、6-弧形模具、7-模具垫块、8-第一坡口、9-第二坡口、10-焊脚。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举出优选实施例，对本发明进一步详细说明。然而，需要说明的是，说明书中列出的许多细节仅仅是为了使读者对本发明的一个或多个方面有一个透彻的理解，即便没有这些特定的细节也可以实现本发明的这些方面。

对于蒸汽头板焊接中收缩变形是最重要的因素。(1)纵向收缩变形：沿焊缝轴线方向尺寸的缩短；(2)横向收缩变形：沿垂直于焊缝轴线方向尺寸的缩短。我们在制造的过程中更多的是指定相关的工艺措施如：

a.留余量法留余量法是在下料时，考虑到收缩变形而将下料零件的长度或宽度尺寸比设计尺寸适当加大，以补偿焊件的收缩。余量的多少可根据经验公式估算或根据生产经验确定，一般焊缝的纵向收缩量按焊缝的长度来计算。

蒸汽头板应用举例计算：

该蒸汽头图纸要求其主板规格为3000*1200*16mm，筋板规格为1100*150*16，共10块。其焊接要求双面角焊缝，连续焊接且焊角高度不小于5mm。

根据图3中的经验理论公式：

Y＝0.001X2-0.0359X+0.5077

其中：Y—横向收缩量近似值，mm

X—板材厚度，mm

则：Y＝0.001*162-0.0359*16+0.5077≈0.2mm

即在主板上每焊接一块筋板引起主板的横向收缩量约为0.2mm，那么在焊接多块筋板之后引起的横向收缩量就应该为累加量，即0.2*n(其中n代表筋板数量)

对于本例计算中在焊接10块筋板后引起主板总的横向收缩量近似值为0.2*10≈2mm。所以在下料划线时就应该预先有2mm的预留量。

另外在主板的宽度划线过程中，也留有2mm的预留量以便铣边机有更多空间操作，保证构件的在误差范围之内。所以例题主体板材下料的规格应为：3002*1202*16mm。

反变形法反变形法是根据焊件的变形规律，焊前预先将焊件向着与焊接变形的相反方向进行人为的变形(反变形量与焊接变形量相等)，焊后，焊接残余变形抵消了预变形量，使构件回复到设计要求的几何型面和尺寸，从而达到抵消焊接变形的目的。在进行蒸汽头加工制造时，据图纸要求蒸汽头板材与筋板板材均为16mm，焊角高度为5mm。准确选择合适的胎具是焊接反变形工艺的一个重要措施，弧度的偏大或偏小都将直接影响焊接后的板材平整度。当正面焊缝全部焊完后，随着焊缝不断的冷却与收缩，角度变形逐渐加大，一般情况下10～18mm板材的角度α会增加到3°～4°。每个筋板的焊接都会引起基板的角度一定的变形，而据图纸要求每个蒸汽头板会有若干个筋板，焊接引起变形的角度将会很大。若不采取措施，不仅增加矫正焊接残余变形难度，同时也造成组合尺寸的相对偏差较大以及外观的不美观。

防止蒸汽头板焊接变形的焊接方法，所述焊接方法包括如下步骤：

选取蒸汽头板，根据蒸汽头板上焊接的蒸汽头筋板的数量利用反变形法制造蒸汽头板焊接变形的相反方向的弧形模具。利用反变形法制造弧形模具的具体哦过程为：

计算蒸汽头板上焊接的蒸汽头筋板的数量，根据样本测量每个蒸汽头筋板焊接冷却后引起蒸汽头板变形的角度，同时测出两块蒸汽头筋板之间的距离，则得到两块蒸汽头筋板之间的蒸汽头板变形弧度为蒸汽头板变形的角度，根据角度制造处弧形模具。

如图6所示，反变形法是根据焊件的变形规律，焊前预先将焊件向着与焊接变形的相反方向进行人为的变形(反变形量与焊接变形量相等)，焊后，焊接残余变形抵消了预变形量，使构件回复到设计要求的几何型面和尺寸，从而达到抵消焊接变形的目的。在进行蒸汽头加工制造时，据图纸要求蒸汽头板材与筋板板材均为16mm，焊角高度为5mm。准确选择合适的胎具是焊接反变形工艺的一个重要措施，弧度的偏大或偏小都将直接影响焊接后的板材平整度。当正面焊缝全部焊完后，随着焊缝不断的冷却与收缩，角度变形逐渐加大，一般情况下10～18mm板材的角度α会增加到3°～4°。每个筋板的焊接都会引起基板的角度一定的变形，而据图纸要求每个蒸汽头板会有若干个筋板，焊接引起变形的角度将会很大。若不采取措施，不仅增加矫正焊接残余变形难度，同时也造成组合尺寸的相对偏差较大以及外观的不美观。考虑的这种情况，我们在制作的过程中采取了反变形的方法。将蒸汽头板用夹具固定在胎具上，胎具形状正好与焊接变形的方向相反，同时采用焊接顺序不同的方法。为了保证焊接的规范性在焊接的过程中需注意。

把蒸汽头板贴合在弧形模具上，用虾弓码夹紧。弧形模具上设置有不锈钢模具垫块，弧形模具两边均使用支撑杆固定支撑，固定支撑底部固定在直线的导轨上，固定弧形模具结构。

在蒸汽头板上焊接蒸汽头筋板，焊接蒸汽头筋板的顺序为从中间往两端焊接，且间隔一块筋板焊接，当焊接到两端后，再从中间往两端的方式把中间间隔的蒸汽头筋板依次焊接，完成焊接。焊接蒸汽头筋板前需要对蒸汽头筋板的焊接坡口加工，焊接坡口加工的具体过程为：

先用等离子切割机切割好30°的第一坡口和15°的第二坡口，然后使用铣边机进行对坡口和板面铣平。

所述焊接蒸汽头筋板前需要焊前准备和焊接参数选用，

焊前准备，除去坡口表面的氧化皮、熔渣及表面层，并把凹凸不平处打磨平整；

在蒸汽头筋板焊件坡口两侧各100mm范围内刷保护油或者石灰膏，防止焊接飞溅物沾污焊件表面的；

焊接时，药芯焊丝直流焊接时采用反极性；保护气体为CO2，其气体流量以20～25L/min；焊件与焊嘴的距离以15～20mm。

所述焊接蒸汽头筋板时，层间需清除熔渣和两侧的飞溅物；焊缝表面不得有裂纹、肉眼可见的表面气孔、夹渣和焊瘤，表面焊缝与母材为圆滑过渡，焊缝为整齐、平滑呈均匀的波纹状，焊接时，蒸汽头筋板与蒸汽头筋板之间的层间温度低于60摄氏度。

焊前准备、焊接参数选用及焊接检查

1)焊前准备，除去坡口表面的氧化皮、熔渣及影响接头质量表面的表面层，并应将凹凸不平处打磨平整；必须保持清除可能使焊缝金属增碳的各种污染；

2)不锈钢焊件坡口两侧各100mm范围内，在施焊前采取防止焊接飞溅物沾污焊件表面的措施，如刷保护油、石灰膏等；

3)严禁在坡口之外的母材表面引弧和试验电流，并应防止电弧擦伤母材。

4)不锈钢药芯焊丝直流焊接时应采用反极性；保护气体为CO2，其气体流量以20～25L/min较适宜；焊件与焊嘴的距离以15～20mm为宜；

5)采用了低热输入的焊接工艺，熔敷率高，焊接速度高；

6)焊接时，层间需清除熔渣和两侧的飞溅物；焊缝表面不得有裂纹、肉眼可见的表面气孔、夹渣、焊瘤等。焊接高度严格按照图纸要求，表面焊缝与母材应圆滑过渡，焊缝应整齐、平滑呈均匀的波纹状。

7)施焊前的焊接工艺评定，应按SAME相关标准执行:施焊中，应该选择合适的焊接参数，如表1所示；在焊接过程中，必须使焊件保持较低的层间温度，一般不超过60℃。

表1焊接参数

所述焊接蒸汽头筋板的具体过程为：

把蒸汽头筋板与蒸汽头板接触面分平均为左上方接脚、左下方接脚、右上方接脚和右下方接脚，先焊接蒸汽头筋板的左上方位置接脚，然后焊接右下方接脚，再焊接右上方接脚，最后焊接左下方接脚。

如图7所示，焊接的总顺序为先中间后两端，再焊间隔一块筋板接另外一块筋板。

即a:所有筋板两侧焊缝的焊接顺序如图6中所示为①—②—③—④，且4条焊缝长度大致相等；

b：优先最中间的那一块或两块筋板；

c:接下来由两个焊接人员依次从中间到两边优先焊接3—5—7及3—5″—7″，且两名焊工要求保持相同的速度进行焊接操作

d：之后同c的焊接顺序及焊接方法完成2—4—6及2—4″—6″筋板的焊接。

依此类推。其他蒸汽头板的焊接方法均采用上述焊接工艺尽量采用对称焊接、合理安排焊接顺序的方法，最大限度的减小焊接变形，同时也为矫直的环节节省人力物力，更优地保证了产品的质量。

焊接完成后，待焊缝冷却至常温后方将蒸汽头板拆卸下来，然后使用油压机对局部的焊接变形进行校平。焊焊缝层间温度不能大于60℃，即焊完第一道后，焊缝温度应低于60℃才能开始第二道焊缝的焊接(时间间隔大约为10分钟)。完成后，待焊缝冷却至常温后方将钢板拆卸下来，然后使用700T油压机对局部的焊接变形进行校平。

如图2-7所示，防止蒸汽头板焊接变形的焊接装置，所述焊接装置包括若干个虾弓码2、支撑杆3、蒸汽头板4、蒸汽头筋板5、弧形模具6和若干块模具垫块7。弧形模具6设置为弧形板状结构。弧形模具6凸面向上设置，支撑杆3设置在弧形模具6底部，若干块模具垫块7均匀固定设置在弧形模具6上表面，蒸汽头板4贴合在弧形模具6上表面，通过若干个虾弓码2把蒸汽头板4和弧形模具6夹紧。蒸汽头筋板5焊接在蒸汽头板4上。还包括导轨1，所述导轨1的个数为两条，导轨1分别设置在弧形模具6底部，且平行设置，支撑杆3的底部固定在导轨1上，所述弧形模具6的两端均与导轨1固定连接所述蒸汽头板4与蒸汽头筋板5焊接位置设置为焊接坡口，焊接坡口包括第一坡口8和第二坡口9，第一坡口8为30°，第二坡口9为15°，所述蒸汽头筋板5与蒸汽头板4焊接处设置为焊脚10，所述焊脚10高度为5mm。

具体工作过程：

与碳钢焊接模之间必须有不锈钢垫板进行隔离；钢基板与反变形模板之间要用虾弓码夹紧，见图2。焊接的总顺序为先中间后两端，再焊间隔一块筋板接另外一块筋板。

如图7所示，即a:所有筋板两侧焊缝的焊接顺序如图6中所示为①—②—③—④，且4条焊缝长度大致相等。

b：优先最中间的那一块或两块筋板。

c:接下来由两个焊接人员依次从中间到两边优先焊接3—5—7及3—5″—7″，且两名焊工要求保持相同的速度进行焊接操作。

d：之后同c的焊接顺序及焊接方法完成2—4—6及2—4″—6″筋板的焊接。

依此类推。其他蒸汽头板的焊接方法均采用上述焊接工艺尽量采用对称焊接、合理安排焊接顺序的方法，最大限度的减小焊接变形，同时也为矫直的环节节省人力物力，更优地保证了产品的质量。

焊焊缝层间温度不能大于60℃，即焊完第一道后，焊缝温度应低于60℃才能开始第二道焊缝的焊接(时间间隔大约为10分钟)。

完成后，待焊缝冷却至常温后方将钢板拆卸下来，然后使用700T油压机对局部的焊接变形进行校平。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.防止蒸汽头板焊接变形的焊接方法，其特征在于，所述焊接方法包括如下步骤：

选取蒸汽头板，根据蒸汽头板上焊接的蒸汽头筋板的数量利用反变形法制造蒸汽头板焊接变形的相反方向的弧形模具；

把蒸汽头板贴合在弧形模具上，用虾弓码夹紧；

在蒸汽头板上焊接蒸汽头筋板，焊接蒸汽头筋板的顺序为从中间往两端焊接，且间隔一块筋板焊接，当焊接到两端后，再从中间往两端的方式把中间间隔的蒸汽头筋板依次焊接，完成焊接，

焊接完成后，待焊缝冷却至常温后方将蒸汽头板拆卸下来，然后使用油压机对局部的焊接变形进行校平；

所述利用反变形法制造弧形模具的具体过程为：

计算蒸汽头板上焊接的蒸汽头筋板的数量，根据样本测量每个蒸汽头筋板焊接冷却后引起蒸汽头板变形的角度，同时测出两块蒸汽头筋板之间的距离，则得到两块蒸汽头筋板之间的蒸汽头板变形弧度为蒸汽头板变形的角度，根据角度制造出弧形模具；

所述焊接蒸汽头筋板的具体过程为：

把蒸汽头筋板与蒸汽头板接触面平均分为左上方接脚、左下方接脚、右上方接脚和右下方接脚，先焊接蒸汽头筋板的左上方位置接脚，然后焊接右下方接脚，再焊接右上方接脚，最后焊接左下方接脚。

2.根据权利要求1所述的防止蒸汽头板焊接变形的焊接方法，其特征在于：所述弧形模具上设置有不锈钢模具垫块，弧形模具两边均使用支撑杆固定支撑，固定支撑底部固定在直线的导轨上，固定弧形模具结构。

3.根据权利要求1所述的防止蒸汽头板焊接变形的焊接方法，其特征在于：所述焊接蒸汽头筋板前需要对蒸汽头筋板的焊接坡口加工，焊接坡口加工的具体过程为：

先用等离子切割机切割好30°的第一坡口和15°的第二坡口，然后使用铣边机对坡口和板面铣平。

4.根据权利要求3所述的防止蒸汽头板焊接变形的焊接方法，其特征在于：所述焊接蒸汽头筋板前需要焊前准备和焊接参数选用，

焊前准备，除去坡口表面的氧化皮、熔渣及表面层，并把凹凸不平处打磨平整；

在蒸汽头筋板焊件坡口两侧各100mm范围内刷保护油或者石灰膏，防止焊接飞溅物沾污焊件表面；

焊接时，药芯焊丝直流焊接时采用反极性；保护气体为CO₂，其气体流量为20～25L/min；焊件与焊嘴的距离为15～20mm。

5.根据权利要求1所述的防止蒸汽头板焊接变形的焊接方法，其特征在于：所述焊接蒸汽头筋板时，层间需清除熔渣和两侧的飞溅物；焊缝表面不得有裂纹、肉眼可见的表面气孔、夹渣和焊瘤，表面焊缝与母材为圆滑过渡，焊缝为整齐、平滑呈均匀的波纹状，焊接时，蒸汽头筋板与蒸汽头筋板之间的层间温度低于60摄氏度。