法兰与筒体焊接变形分析与控制

华电曹妃甸重工装备有限公司 （河北唐山 063200） 顾振兴 孙建广 戚建伟

1. 概述

随着圆形料场在电力、煤场、码头等区域的广泛应用，对堆取料机的制作能力也提出了更高的要求，但是在圆形堆取料机中，厚法兰焊接变形问题一直尤为凸显。为了更好的解决该问题，我公司对制作工艺进行深入分析，实践后形成工艺方案。

2. 问题提出

产品结构上，堆料和取料的回转部分结构（见图1）是由上下联接法兰和回转轴承构成，其主要问题：一是在主要的承载结构部位，承载重量达到几十吨，法兰的垂直度直接影响了整机重心是否稳定；二是设备在料场中回转作业时，平面度超差的法兰也大大缩短了轴承的使用寿命。

图1 堆料和取料的回转部分结构

以往出现的质量问题中，大直径的下法兰和筒体焊接时会出现法兰内外两边塌边变形，法兰边缘越宽变形就会越大。分析后认为，焊接位置热输入过大，局部热量较高，法兰在无约束的情况下受热会迅速的膨胀，当焊缝温度逐渐冷却慢慢收缩，未施焊处与焊缝处冷却速度不一致，由于法兰很厚，刚性较大，应力不能释放，所以就会产生较大的变形，产生“翻边”和“角焊缝”。当法兰上下平面厚度出现不同程度超差时，会影响螺栓的安装，问题严重时也会发生变形量超过工艺留量，只能通过对法兰表面进行局部补焊的方法进行挽救。采用补焊方法不仅返修困难，造成人力、物力的浪费，而且严重影响了生产效率，使生产周期滞后；另外局部的高温也会影响到法兰的内部组织，降低其结构强度。

3. 产品结构及技术要求

图2为联接法兰与筒体结构，法兰厚50mm，筒体φ2000mm，法兰φ2505mm，法兰内外螺栓孔均布，并在焊接位置的两端布置加强筋板。

技术要求如图3所示，制作时法兰厚度上留加工余量10mm，焊接完成通过车床机加工法兰平面、钻床加工螺栓孔。焊接时筒体开坡口，材料为Q345低合金钢材质，双面焊接100%超声波探伤Ⅰ级合格。法兰上平面机加工满足表面粗糙度的要求，平面度为0.30mm，与筒体中心线的垂直度要求0.50mm以内。焊接时主要采用CO2气体保护焊。

图2 联接法兰与筒体结构

图3 焊缝技术要求

4. 工艺方案的确定

为防止以上情况的发生，工艺方案的细化是焊接该件的重点。我们先焊接外侧筋板，采取强制变形的工艺方法防止筒体外侧法兰宽边缘部分的变形。下面就对该方案进行逐步阐述。

图4 筒体坡口形式

（1）焊前准备 以筒体板厚16mm为例，采用半自动火焰切割机加工筒体坡口（见图4），不仅切割速度快、质量好，而且可以有效地减小修磨量；另外规则的坡口可以有效避免因焊接间隙、熔透深度不一造成的碳弧气刨清根不彻底，受热不均变形较大的情况发生。由于外侧法兰边缘长度大，容易发生变形，如果在焊接前焊接外侧加强筋板，不便于碳弧气刨清根，所以选择筒体的外侧开坡口，筒体内侧碳弧气刨清根。

焊接前用砂轮对坡口内外50mm进行打磨，去除母材表面的杂质、油污及铁锈。焊接采用CO2气体保护焊，金桥JQ.MG50—6，φ1.2mm焊丝。CO2气体应干燥、洁净，气体流量15~25L/min。

（2）施焊 组对后定位焊，焊接过程中在60mm与16mm板对接的焊接位置用火焰进行分段加热，温度控制在150℃左右。采取焊前预热，一方面降低了焊接应力；另一方面降低焊接应变速率，同时降低变形速率，有利于避免产生裂纹。施焊时的具体参数如附表所示，焊接顺序如图5所示。

具体焊接工艺如下：

焊接参数

图5 焊接顺序

第一，外侧筋板焊接：经过分析焊接位置角变形使得外侧法兰外翻，我们决定先将外侧筋板全部装配点焊后进行焊接，法兰、筒体、筋板形成一个刚性的整体互相支撑，有助于减小焊接变形，筋板的焊缝位置留出过焊孔保证施焊流畅。

第二，外侧焊缝打底：首先焊接外侧打底层，采用CO2气体保护焊直线运条焊接，主要原因是直线运条法焊接时热输入较小，阻止了柱状晶的增长，后面多层焊接时进行多次的回火使晶粒得到细化。进行直线运条方式，既可使高温停留时间缩短，收缩变形随之变小，焊缝位置不会反复的加热，同时又有效地防止了偏析，增强了力学性能。打底层焊缝金属可以保证背面清根的要求即可。

第三，内侧碳刨清根：打底完成后利用碳弧气刨在内侧进行清根处理，中厚板焊接背面碳弧气刨是钢结构施工中不可或缺的工序之一，碳棒直径采用φ8mm，电流在400A左右，要注意的是在保证刨槽外观和深度的同时刨削的速度要尽量的快，减少热输入，匀速刨削。

第四，内侧筋板焊接：内侧焊缝焊接前将内侧加强筋板装配并焊接，可有效减小焊缝内侧法兰变形。

第五，内侧焊缝焊接：内侧焊缝采用多层多道的焊接方式往外堆积焊接。焊缝对称焊接，减小变形。焊接时采用直线运条的方式，多段多道焊，减小热输入。每焊2~3道都要趁热对焊缝进行锤击，消除应力。

第六，外侧焊缝填充：填充焊时焊接电流和电压相应的大于打底层，保证有相对较大的熔深，获得良好的外观。焊接时采用直线运条的方式不允许摆动，每一层的厚度在3~5mm，这样可以在有效保证焊接质量的同时，使冷却后的变形量得到控制，同时焊接夹渣等缺陷也会大大降低，满足了生产需求。

5. 结语

在焊接过程中，严格按照焊接顺序及注意焊接过程中的几个要点，经过多次实践检验，焊接变形得到有效的控制，法兰的平面度控制在3mm以内，焊缝可以一次性的通过超声波探伤检测Ⅰ级合格标准，补焊、锪孔的情况大大减小，为公司节约了大量的人力物力；同时缩短了生产的周期，很多员工通过该焊缝的焊接积累了厚板焊接的经验，同时也为保证公司的产品质量打下了良好的基础。