焊接残余变形的火焰矫正就得这么干

1 序言

在焊接的时候, 这是一个有着局部不均匀加热以及冷却状况的过程, 因为存在不均匀的温度场这种情况, 所以在构件当中就会产生热应力, 进而由于这个原因就产生了残余塑性变形以及残余应力, 这带来了结构的变形状况。该变形会对构件的刚度、强度以及稳定性等方面造成影响的, 致使结构的承载力下降。要是构件完成焊接之后出现了变形, 那么就应该去进行矫正。焊接残余变形的矫正能够借助两种方式来开展, 分别是机械方式, 还有加热方式。火焰矫正是一种常见的方法, 这种方法是通过加热来助力构件矫正, 在火焰矫正的时候, 材料的受热区域会历经相应的热循环, 要是温度控制得不合理, 肯定会对材料的性能产生影响。

公司承建那用钢总量达10万t的LNG处理模块进行建造时, 出现大量构件焊接预制情况 , 虽焊前及焊接中采取控制焊后尺寸工艺措施, 可好多构件焊后尺寸仍不满足要求, 要达尺寸要求就得矫正。针对尺寸不合要求构件矫正, 按结构形式项目采用两种方式 , 机械矫正、火焰矫正。并且, 机械矫正主要用于板厚较小H型钢 , 火焰矫正的应用则不限于多种形式、大量各厚度不同构件。要确认火焰矫正后, 母材的性能依旧能够达到相应的要求, 所以进行了热矫正试验。

2 母材及热矫正试验件的焊接

热矫正试验, 使用材质为正火钢板进行, 使用材质为的TMCP板亦进行, 二者厚度都是40mm。并且, 将与正火钢板材质相同但厚度为30mm的板组成T形接头, 将与TMCP板材质相同但厚度为30mm的板也组成T形接头, 此T形接头如图1所示。其中, 坡口是45°的不对称双面单边V形。对于40mm的正火钢板试板, 其力学性能要求见表1, 化学成分见表2。TMCP板试板情况相同, 力学性能要求见表1, 化学成分见表2。

图1 坡口尺寸及组对形式

使用产品建造时所用的焊接工艺来实施T形接头的焊接, 焊接方法是FCAW – G, 焊接顺序是, 先A侧焊到填充完毕, 接着进行B侧气刨清根, 清理后再焊接直到完毕盖面焊接, 随后完成A侧的盖面焊接, 焊接进程中不采取任何因使用拉筋等而限制变形的辅助措施, 焊接结束后, 翼板出现了角变形。

3 火焰矫正工艺及试板的矫正

3.1火焰矫正工艺分析

火焰矫正效果的影响因素主要有, 加热所能达到的最高温度, 加热时的速度快慢, 加热区域的大小如何, 其形状呈现怎样的状态, 所处的位置在哪里, 以及冷却时的速度快慢等。

对于加热最高温度的确定需综合考虑以下两方面：

（1）材料产生塑性变形的力学条件是, 材料所受力超过其屈服强度。为达成火焰矫正目的, 要让已产生变形构件的局部内部热应力大于其屈服强度。多数韧性材料在单向压缩时, 其σ-ε曲线跟单向拉伸时有着相同的弹性模量与屈服应力, 所以能凭借拉伸时的屈服强度判定材料在压缩时的屈服强度。低合金高强钢的高温拉伸性能如图2所示。来看图2, 能发现其中钢的抗拉强度的屈服强度会随着温度上升而下降, 当温度达到700℃这一数值之际, 屈服强度就已然不足了, 而且降低的量颇为显著。与此同时且依据温度应力公式得知, 一旦局部温度有所提高, 令构件整体的温差变大, 那么构件内部的热应力就会增大。

图2 低合金高强钢的高温拉伸性能

因为温度有所升高, 在使得内应力增大的情况下, 会让材料的屈服强度降低。所以在火焰矫正里, 随着加热温度不断升高, 变形量就会越大, 对于变形构件来讲这也就意味着矫正量越大。

（2）材料不应当出现产生不利影响的相变, 火焰矫正这件事情当中, 进行加热操作时的最高温度必须要足够高, 从而能够实现良好的矫正效果, 与此同时, 为防止材料的组织发生改变, 加热时的最高温度应当被严苛限制在材料的下临界点温度以下, 为保证达成以上提到的这一点, 负责承担加热工作的相关工作人员需要配备温度监控器具。

材料进行热矫正时, 加热速度越快, 材料在受热时的不均匀程度就越高, 进而导致变形量越大。为确保能有合理的加热速度, 通常在加热区域超过30mm的情况下, 要增加热源数量。

构件的矫正量大小依变形区域大小而定, 变形区域大小又取决于加热区大小, 加热区越大则相关情况越显著。对于加热区大小开展控制时, 要考虑防止加热区过大致使冷缩后变形幅度过大, 进而出现矫正原变形后又产生负变形的状况, 还要考虑避免加热区过小造成收缩幅度不足, 致使达不到矫正目的。

在实际建造之际, 因焊接残余变形致使构件出现的变形繁杂多样, 加热区的形状得依照构件的变形开展确认。火焰矫正是借由让构件生成与原变形方向相反的收缩变形, 用以抵消原变形, 达成构件尺寸的矫正, 故而火焰矫正里加热位置（也就是变形位置）的挑选应周全考量焊接残余变形的几何特性, 保证变形间的抵消成效。并搭配加热区的各异形状, 达成期望的矫正成果。此外, 虽说冷却速率越快, 矫正成效就越好, 然而源于过快的冷却速率具备造成额外热应力或者产生不利组织的可能性, 所以, 某些材料于火焰矫正里的冷却速率得受到限制, 一般借助规定冷却介质来予以规定。

3.2试板的矫正

按照相变温度计算公式, 能够计算出试验所用材料的相变温度A1, 它们分别是724℃（）、720℃（）, 即本次火焰矫正试验里最高温度不能超过以上提及的温度数值, 在实际试验当中加热区域所达到的最高温度是700℃, 加热宽度为80mm（见图3）, 加热之后空冷直至室温。

图3 加热区域

4 性能试验

处于 T 形接头热矫正完成的状态下，试验件开始冷却, 一直冷却至室温, 接着针对火焰矫正时候受热的试板展开磁粉检测以及超声波检测, 检测之后并未发现存在缺陷, 由此确认火焰矫正的整个过程没有对母材的连续性造成影响。先是在室温这个条件下, 针对进行过火焰加热的试板表面开展显微维氏硬度测试, 测试所获得的结果被记录在表 3 之中。

然后, 于试板火焰矫正之际的烤火部位, 去选取拉伸试样以及冲击试样来展开试验, 取样的位置是从距离母材受热表面2毫米之处起始, 试验所获取的结果呈现于表4。

经上述试验, 能够看出, 运用该火焰矫正工艺为存有焊接残余变形的构件予以矫正后, 母材的性能依旧全然契合要求。

5 热矫正工艺的实际应用

一项目里, 节点的结构形式是管跟板的组合, 管跟板之间垂直, 亦或是成一定角度, 管的端部开单面坡口, 跟板表面形成焊接坡口从而进行焊接。焊完以后, 因板仅仅是靠近边缘处的一条环形区域被焊接, 才导致板出现中心上凸（较小）, 边缘出现较明显得偏向焊接侧的变形, 为了满足项目的要求, 要对板进行矫正。

对于板件, 以焊缝作为分界, 能够分为两个区域, 一个是内部变形受限区, 另一个是边缘可自由变形区。内部变形受限区因为空间位置存在着限制, 所以只能在变形侧进行加热, 为了让上凸的板趋向于平整, 就必须对远离焊道的区域也就是板中心进行加热, 为了增大可调整区域, 于是采用星形加热。边缘可自由变形区在变形方向的背面采用条带状进行加热。借助于对上述两个区域的加热, 达成了对板变形的矫正, 情况可见图4。

图4 节点的火焰矫正

6 结束语

本文借助力学性能试验, 验证了火焰矫正之后母材的性能, 完全满足要求。火焰矫正工艺里, 需重点把控的是母材的加热温度, 要保证在不影响母材性能的前提下, 达成变形的矫正。对于/ML材料而言, 火焰矫正温度限制在700℃以下, 能够保证材料性能满足要求, 不过在实际产品建造进程里, 还得充分查找项目文件资料, 保证火焰矫正时所控制的温度契合项目要求。

此次试验得出的结果, 得到了项目各个方面的认同, 于项目建造期间, 借助采用不一样的火焰矫正的加热区形态, 开展了各类焊后产生变形的构件的矫正工作, 给项目能够高效地向前推进, 给予了强有力的保障。