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一種不銹鋼薄板異形構(gòu)件的焊接變形控制研究及應(yīng)用

2013-03-14 09:31厲福海任小省
關(guān)鍵詞:薄板坡口工裝

劉 山 厲福海 任小省

(山東核電設(shè)備制造有限公司,山東 海陽 265110)

國(guó)內(nèi)某核電設(shè)備上一組件中的構(gòu)件采用3mm厚ASTM TP304不銹鋼薄板拼焊而成。該構(gòu)件焊接結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,既有連續(xù)坡口焊縫又有斷續(xù)角焊縫,涉及到多個(gè)零件之間組對(duì)和裝配。該構(gòu)件是一種異形構(gòu)件,難以采用諸如反變形方法來抵消焊后的變形,使得焊接變形控制起來難度更大,且一旦變形,矯形非常困難。

目前對(duì)焊接應(yīng)力變形的控制以及焊后應(yīng)力消除甚至低應(yīng)力無變形研究較多,比如預(yù)拉伸法、靜動(dòng)態(tài)溫差拉伸法、隨焊錘擊法、隨焊沖擊碾壓法、隨焊旋轉(zhuǎn)擠壓法和振動(dòng)法等,這些方法能在一定程度上減小應(yīng)力和變形,但是都不能夠解決本結(jié)構(gòu)的所有變形問題。因而,對(duì)該部件焊接變形進(jìn)行分析研究,確定可靠的焊接變形控制方法顯得尤為重要。

1 產(chǎn)品介紹

整個(gè)組件由8個(gè)構(gòu)件裝配而成(如圖1所示)。所有構(gòu)件均為不銹鋼薄板焊接結(jié)構(gòu),零件尺寸公差多為±1.5mm,構(gòu)件間裝配間隙要求為1.6mm,構(gòu)件到中心組裝精度為0,+3.2mm,要想滿足這些要求,每個(gè)構(gòu)件的制造精度就需要更加精密。本文述及的異形構(gòu)件的結(jié)構(gòu)形式及典型焊接焊接節(jié)點(diǎn)如圖2所示,構(gòu)件高度為1420mm,是采用3mm厚A240 TP304L不銹鋼薄板制造。焊接接頭外側(cè)為坡口焊縫,內(nèi)側(cè)焊縫為斷續(xù)角焊縫。

圖1 組件示意圖

2 變形趨勢(shì)分析

不銹鋼相對(duì)碳鋼導(dǎo)熱系數(shù)小,線膨脹系數(shù)大,焊接時(shí)變形較大,薄板的焊接變形就更為復(fù)雜。通過理論分析,構(gòu)成構(gòu)件主要結(jié)構(gòu)的角形結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生圖3所示的焊接變形,即焊縫縱向收縮引起的棱邊彎曲及棱邊長(zhǎng)度縮短;焊縫橫向收縮引起的α1和α2的改變,使得α1和α2減小或增大,且α1≠α2等。這些變形綜合反應(yīng)到構(gòu)件上,將使構(gòu)件的變形有諸多的不確定性。

3 焊接試驗(yàn)及結(jié)果分析

3.1 焊接方法的選擇

對(duì)于3.0mm奧氏體不銹鋼薄板的焊接,比較適合的焊接方法有鎢極氬弧焊、焊條電弧焊、等離子弧焊、激光焊、電子束焊等。綜合考慮產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點(diǎn),設(shè)計(jì)要求、操作難易程度以及投資成本情況,確定選擇手工鎢極氬弧焊和焊條電弧焊。

圖2 構(gòu)件圖及典型焊接節(jié)點(diǎn)示意圖

圖3 角形結(jié)構(gòu)焊接變形趨勢(shì)

3.2 小尺寸試件焊接

采用3mm的不銹鋼板,模擬產(chǎn)品主要焊接結(jié)構(gòu)進(jìn)行了小尺寸試件焊接變形試驗(yàn),試驗(yàn)情況如下:

試件1是在內(nèi)部用L50角鋼縱向采用定位焊固定,外側(cè)坡口焊縫焊接完成后,拆除內(nèi)部角鋼,再焊接內(nèi)側(cè)角焊縫;試件2從內(nèi)部用條形鋼板橫向固定(參見圖4),先焊接外側(cè)坡口焊縫,后焊接內(nèi)部角焊縫;試件3內(nèi)部用條形板橫向固定,結(jié)合外部用長(zhǎng)條板縱向固定(條形板距離棱邊30mm,同樣是先焊接外側(cè)坡口焊縫,后焊接內(nèi)側(cè)角焊縫。

外側(cè)坡口焊縫采用鎢極氬弧焊焊接,使用ER308L焊絲,電流50-80A,電壓10-17V,焊接速度8-12mm/min,保護(hù)氣體為純氬,流量為8-12l/min。里側(cè)角焊縫采用焊條電弧焊焊接,焊條采用ER308L-15,直徑 φ3.2mm,焊接電流 70-90A,電壓20-24V,焊接速度5-12mm/min,焊接順序見圖5。

圖4 試件3固定板位置示意圖

圖5 試驗(yàn)件焊接順序

試件焊接完成后測(cè)量的數(shù)據(jù)見表1。從試驗(yàn)結(jié)果看,3件試件均出現(xiàn)了不同程度的角變形、棱邊縮短和棱邊彎曲情況,且棱邊的彎曲位置和彎曲方向有不確定性。其中件1的角變形最大,件2和件3相對(duì)較小且二者變形情況接近;件1和件3起焊端和終焊端角度差距較大,件2差距很??;件2的棱邊彎曲程度最大,件3的棱邊彎曲程度最小??v向收縮情況是件3最小,件2最大??梢?,橫向支撐對(duì)角變形的控制有一定的效果,在外側(cè)焊接順序相同的情況下,內(nèi)側(cè)焊縫采取跳焊法對(duì)縮小起焊端和終焊端角變形的差距有利;縱向固定對(duì)控制棱邊縮短和棱邊彎曲有一定的效果,且固定位置距離焊縫越近越有利。但是以上這些固定方式對(duì)控制棱邊彎曲及角變形的效果并不十分理想。在試驗(yàn)過程中,發(fā)現(xiàn)試件的組對(duì)很不方便,并且需要每隔80mm的間距焊接一處定位焊縫進(jìn)行定位,否則就會(huì)在焊接時(shí)出現(xiàn)錯(cuò)邊情況。

表1 小尺寸試件焊接變形試驗(yàn)數(shù)據(jù)

3.3 工裝設(shè)計(jì)制造

要求該工裝能夠解決小尺寸試件焊接試驗(yàn)中遇到的問題,即起到方便零件組對(duì),能夠可靠的定位和剛性固定待焊零件,一次裝夾即能完成外側(cè)坡口焊縫和內(nèi)側(cè)斷續(xù)角焊縫的焊接,能夠翻轉(zhuǎn)變位,使待焊焊縫轉(zhuǎn)到方便焊工施焊的平焊位置。

為滿足以上要求,設(shè)計(jì)并加工了一個(gè)與零件內(nèi)腔尺寸一樣的W型夾具體,該夾具體采用板材組焊成后用數(shù)控銑床對(duì)定位面進(jìn)行銑削,以保證夾具體的尺寸公差和形位公差。采用螺旋夾緊的方式,利用密排的壓板將零件壓緊并固定在夾具體上,以保證零件的組裝焊接精度。同時(shí),在夾具體上按照產(chǎn)品中斷續(xù)焊縫的位置開出了斷續(xù)通槽,使原本被夾具體擋住的焊縫能夠不用拆零件就能夠一次焊接完成,既利于焊接變形的控制又極大的提高了生產(chǎn)效率。該夾具體可以繞支撐架360°旋轉(zhuǎn)并利用定位盤和插桿定位在需要的位置上,使所有焊縫均可以處于平焊位置,工裝夾緊結(jié)構(gòu)示意圖見圖6。

圖6 焊接工裝夾緊示意圖

3.4 模擬件的焊接

利用此焊接工裝,進(jìn)行了模擬件制作。制作過程中同時(shí)采用了小電流快速焊,工藝參數(shù)與焊接小尺寸試驗(yàn)件時(shí)相同,焊接時(shí)先采用GTAW方法焊接外側(cè)的坡口焊縫,再采用SMAW焊接方法,透過斷續(xù)通槽焊接內(nèi)側(cè)的斷續(xù)角焊縫。焊接順序采用了如圖7所示的大間隔跳焊。

模擬件焊接完成后,經(jīng)過測(cè)量,角度的公差變化在0.2°以內(nèi),焊接棱邊長(zhǎng)度縮短率在0.035%以內(nèi),長(zhǎng)度為1422mm的棱邊彎曲僅0.2mm,,角度的公差變化在0.2°以內(nèi),大大低于不用工裝時(shí)候的變形量。

小尺寸試件焊接時(shí),縱向固定件距離焊縫邊緣分別是30mm和50mm,橫向固定是間斷性的,采用工裝夾具后,壓板與焊縫間距離5mm,夾具體和密排的壓板對(duì)焊縫全長(zhǎng)范圍進(jìn)行了近距離拘束,因而剛性固定效果大大好于小尺寸試件的臨時(shí)附件固定;同時(shí),工裝夾具體與壓板一起對(duì)工件起到強(qiáng)制冷卻的作用,使焊接熱量得以快速擴(kuò)散,加之大間隔跳焊焊接順序使熱量更分散,因而大大降低了焊接變形。

圖7 焊接順序

結(jié)語

4.1 不銹鋼熱系數(shù)小,線膨脹系數(shù)大,焊接時(shí)變形較大,對(duì)于精度要求高的薄板焊接件的焊接變形不采取有效的措施進(jìn)行控制難以保證尺寸精度。

4.2 采用適宜的焊接工裝,結(jié)合大間隔跳焊工藝可以將焊接變形控制在較小的范圍內(nèi)。

4.3 目前已采用上述方法成功地制造了8件產(chǎn)品,尺寸精度完全滿足設(shè)計(jì)要求。

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