The Welding Deformation Analysis and Process Control Measures of a Box
朱文华 ZHU Wen-hua；崔元萍 CUI Yuan-ping；汤柳 TANG Liu
（中国工程物理研究院核物理与化学研究所，绵阳 621900）
（Institute of Nuclear Physics and Chemistry, Caep，Mianyang 621900，China）
摘要：本文针对某箱体结构特性，对箱体焊接变形进行了分析，介绍了在焊接过程中采用的合理焊接工艺方法，采取的控制措施，如局部增大刚性法、温差法等等，使焊接变形控制在要求范围。
Abstract: According to the structural characteristics of a box, the welding deformation is analyzed. The reasonable welding process method and control measures used in the welding process is introduced, such as local increase of rigidity method, temperature difference method and so on, so that the welding deformation control in the required range.
关键词：箱体；焊接变形控制；焊接工艺
Key words: box；welding deformation control；welding technology
中图分类号：TG441.7 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2019）29-0187-02
1 概述
某箱体由偏转脖颈、主体、法兰接口等构成，见简图1所示，材质为316L不锈钢。在该构件中，偏转脖颈的30°夹角及其与主体测量点所形成的48.8°夹角，偏转脖颈中心高度210mm，是重要尺寸特性。另外，偏转脖颈上下两大面厚度尺寸56mm是装配尺寸，焊后大面平面度小于0.5mm，两大面平行度要求小于1mm，精度要求严格，同时要求动态漏率小于2E-10Pa.L/S。因此必须采取合理的焊接工艺方法，减少焊接变形，控制焊接质量，使产品满足要求。
2 焊接变形分析及控制要点
焊接变形是由焊接时不均匀加热引起的，在钢结构焊接过程中，由于焊接时产生的热源以及焊接热循环的影响，使焊件不均匀受热，在焊件上形成了不均匀的温度区域，致使焊件产生不均匀的收缩及膨胀，使焊件内部形成焊接应力引起形变。如收缩变形、弯曲变形、波浪变形、扭曲变形、角变形等，变形与焊件的形状、尺寸、材料的物理性能及加热条件等因素都有关。
由不锈钢钢板焊接成偏转脖颈，是典型的薄板箱体结构，形状不规则、焊缝不对称，在焊接过程中，易产生收缩变形、弯曲变形、扭曲变形。而厚度尺寸56mm要求焊后大面平面度小于0.5mm，两大面平行度小于1mm，及脖颈与测量点所形成的48.8°夹角，是需要控制的关键尺寸；能否保证，一是要合理安排工艺顺序，如在采取焊后加工，消除焊接变形造成的误差方面，考虑主体（包括各法兰焊接）与脖颈分别先焊接成形，再加工主体上与脖颈焊接的258×458方孔，然后将脖颈与主体焊接；二是在焊接时要采取工艺措施控制焊接变形。
3 焊接方法及焊接材料
根据316L不锈钢的焊接特点和零件的结构特点，采用手工氩弧焊，遵循“等成分”原则选择焊接材料，同时为增强接头抗热裂纹和晶间腐蚀能力，使接头中尽量不出现铁素体，选择H00Cr19Ni12Mo2氩弧焊用焊丝。其成分见（表1）。
不锈钢焊接的突出特点是对过热敏感，故焊接时宜采用小电流、快速焊；采用手工氩弧焊熔焊打底，焊接参数见表2。
4 控制焊接变形的措施
①局部增大刚性法。焊接偏转脖颈上盖板时，两端接口作为连接部位，需要对最终的尺寸精度进行控制。根据零件结构特性，焊盖板时，在两端内腔塞入支撑，并将法兰安装到位，这样通过增大焊件局部的刚度，达到减小变形的目的，如图2所示。
②刚性固定控制变形法。焊接偏转脖颈上盖板，由于焊接截面积大，焊接冷却后，出现的变形大。利用工装夹具将其固定夹紧（如图3），并在施焊完毕后继续保持压紧固定状态，使焊接残余应力慢慢释放，减小板面焊接收缩变形。
③温差法控制变形。温差法是用外部冷却源和热源来调节焊接温度场，造成与常规焊接不同的温度分布，使焊缝附近的金属产生收缩和膨胀，以抵消焊接产生的膨胀和收缩，达到控制焊接残余应力和变形的关系。
在偏转脖颈的焊接过程中，采用水作为冷却介质，用水冷将下表面焊缝的根部区域拘束，限制其膨胀，而上表面焊接部位在施焊过程中产生较高温度进行膨胀，当焊接完成后，外表面高温金属冷却收缩，由于内表面金属被水冷却一直保持室温因此不会再收缩，因而成为外部金属收缩的障碍，达到减小变形的效果。见图4。
④焊后矫正法。在焊接脖颈与主体时，为保证脖颈与测量点所形成的48.8°夹角，采取在镗床上进行定位焊接，因此设计专用定位胎具，利用镗床主轴顶住偏转脖颈法兰面进行定位，同时焊接过程中在横向和纵向两个方向打百分表监测变形量，针对变形方向，在构件的相关区域进行加热，使得局部区域产生压缩性塑性变形，从而对焊接变形进行一定的抵消（见图5），变形量可控制在0.1范围内。
5 结语
在焊接过程中，焊接变形和焊接应力的控制，要结合实际情况，依据构件的受力情况、焊接工艺的选择等具体参数，结合有效的焊接措施控制焊接变形。通过采取以上措施，有效控制了偏转脖颈的焊接变形，保证了厚度尺寸56mm，大面平面度小于0.5mm，两大面平行度小于1mm，脖颈与测量点48.8°夹角的要求，漏率达1.57E-10Pa.L/S，满足箱体密封要求。
参考文献：
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