趙智力 王鵬 劉鑫 王敏

摘 要：針對(duì)大型容器升高座方形法蘭結(jié)構(gòu)的焊接變形問題，結(jié)合焊接過程的仿真計(jì)算結(jié)果，分析了變形的性質(zhì)及發(fā)生機(jī)理，考察了焊接順序?qū)ψ冃蔚挠绊?，結(jié)果表明：法蘭盤與立向壁板之間的大尺寸角焊縫焊后因焊縫表面的橫向收縮遠(yuǎn)大于焊根而發(fā)生明顯的角變形;同時(shí)又因該角焊縫偏離結(jié)構(gòu)中性軸、并位于中性軸的下方，因而法蘭呈現(xiàn)上凸的撓曲變形;法蘭的變形是角變形和撓曲變形綜合作用的結(jié)果。法蘭的平面度決定容器泄漏情況，長(zhǎng)度中心焊至寬度中心的對(duì)稱焊順序下的法蘭平面度最小，約為1.8mm，為寬度中心焊至長(zhǎng)度中心對(duì)稱焊的53%。

關(guān)鍵詞：焊接順序;方形法蘭;角焊縫;角變形;撓曲變形

DOI：10.15938/j.jhust.2019.04.015

中圖分類號(hào)： TG 404

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)： 1007-2683（2019）04-0089-05

Abstract：Aiming at the welding deformation problem of the rectangular flange of large container raised seat， the property and mechanism of the deformation were analyzed in combination with the simulation result of the welding process， and the influence of the welding sequence on the deformation was investigated. The results showed that the transverse shrinkage of the surface of the large-size fillet weld between the flange and the vertical wall plates is much larger than that of weld root， and the obvious angular deformation is caused; Meanwhile， because the fillet weld deviated from the structural neutral axis and located below the neutral axis， so the flange exhibited a upward convex flexure deformation. The deformation of flange welding structure is the result of the combined action of angular deformation and flexural deformation. The flange flatness determines the leakage state of the container. The flange flatness is the smallest （ about 1.8 mm） under the symmetrical welding sequence from the length center welding to the width center， which is 53% of the symmetrical welding sequence from the width center welding to the length center.

Keywords：Welding sequence; Square flange; Fillet welds; Angular deformation; Flexural deformation

0 引 言

在大型容器制造過程中，往往因各種需要而設(shè)置不同形狀的開口和法蘭，其中帶有升高座的方形法蘭-板殼結(jié)構(gòu)通常因法蘭尺寸大、連接壁板板厚尺寸相對(duì)較小而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)剛度較低，在焊接過程中的不均勻加熱和冷卻、各區(qū)域不協(xié)調(diào)的塑性變形的驅(qū)動(dòng)下形，將影響結(jié)構(gòu)尺寸精度，使結(jié)構(gòu)之間裝配困難[3]，如果勉強(qiáng)裝配會(huì)產(chǎn)生超過容許限度的裝配應(yīng)力而減弱結(jié)構(gòu)承受能力[4-7]。

通常減小結(jié)構(gòu)焊接變形量的方法有調(diào)整焊接順序、優(yōu)化結(jié)構(gòu)、改變熱輸入或者加強(qiáng)焊件約束等[8，9]，相對(duì)其他可以減小焊接變形量的方法，調(diào)整焊接順序在實(shí)際生產(chǎn)中具有簡(jiǎn)單易行，成本低廉等優(yōu)點(diǎn)[10]。同時(shí)焊接過程中，焊接順序是影響結(jié)構(gòu)件焊接變形重要因素之一，優(yōu)化焊接順序可有效地控制焊接變形[11-17]，因此預(yù)測(cè)不同焊接順序下結(jié)構(gòu)件的變形，對(duì)于焊接結(jié)構(gòu)的完整性設(shè)計(jì)和制造工藝方法的選擇有著重要意義[18-20]。

本文采用Marc有限元軟件對(duì)大型容器升高座方形法蘭-板殼結(jié)構(gòu)三種不同焊接順序下結(jié)構(gòu)的焊接變形情況進(jìn)行仿真計(jì)算，研究容器帶升高座的方形法蘭-板殼結(jié)構(gòu)的焊接變形性質(zhì)和焊接順序?qū)Y(jié)構(gòu)焊接變形的影響趨勢(shì)。

1 有限元模型的建立

考慮到結(jié)構(gòu)的焊接組裝順序是：先焊接法蘭盤和升高座立向壁板之間的外側(cè)角焊縫、且該焊縫焊后變形立即出現(xiàn)，后續(xù)立向壁板焊到下方容器上的角焊縫以及其他輔助焊縫焊后上述變形并未得到矯正和減小。鑒于上述實(shí)際生產(chǎn)狀況，為有效簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)、減小計(jì)算量，建模時(shí)處理為只考察第一道焊接工序、即法蘭盤和升高座立向壁板之間的焊接即可。方形法蘭盤尺寸為5360mm×1360mm×40mm，立向壁板長(zhǎng)度方向尺寸為4920mm×185mm×10mm、寬度方向尺寸為920mm×185mm×10mm，考慮到結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，取其1/4結(jié)構(gòu)建模，結(jié)構(gòu)的幾何模型見圖1（a），單焊道未焊透角焊縫的焊腳尺寸為8mm;圖1（b）為局部放大的有限元模型，網(wǎng)格數(shù)量41022，最小單元尺寸為2.0mm。

方形法蘭-板殼結(jié)構(gòu)采用的材料為Q235A鋼板，其焊接熱過程仿真采用的材料熱物理性能和力學(xué)性能參數(shù)見表1。

2 結(jié)果及分析

2.1 寬度中心至長(zhǎng)度中心的對(duì)稱焊順序

圖2為由方形法蘭的寬度中心焊接到長(zhǎng)度中心的對(duì)稱焊焊接順序下、焊接至50步時(shí)的焊接溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)分布情況?？梢钥闯?，焊接過程中焊縫區(qū)溫度超過材料熔點(diǎn)、且峰值焊接應(yīng)力接近Q235A材料的常溫屈服強(qiáng)度值。

2.3 法蘭拐角焊至長(zhǎng)度/寬度中心的對(duì)稱焊順序

圖6為由方形法蘭直角拐角位置分別焊至其長(zhǎng)度中心和寬度中心的焊接順序情況下、焊后冷卻至室溫且卡具卸掉后結(jié)構(gòu)的焊接變形情況（變形放大15倍）。由圖6（a）、圖 6（b）可以看出，方形法蘭長(zhǎng)度方向的角變形量略小于寬度方向，且長(zhǎng)度方向上法蘭盤內(nèi)側(cè)的豎直位移大于法蘭盤外側(cè)的豎直位移，同時(shí)法蘭盤長(zhǎng)度中心附近的較大區(qū)域呈現(xiàn)正向撓曲豎直位移峰值，故法蘭盤整體呈上凸的變形趨勢(shì)，且方形法蘭盤表面在長(zhǎng)度方向有輕微的扭曲變形趨勢(shì)。該焊接順序下法蘭的平面度為2.34mm。

3種對(duì)稱焊焊接順序下的測(cè)試結(jié)果與仿真計(jì)算結(jié)果趨勢(shì)相符，一致性較好。其中由寬度中心焊至長(zhǎng)度中心情況的立向壁板角變形位移最小，但撓曲變形起決定作用的法蘭盤平面度指標(biāo)最差;而長(zhǎng)度中心焊至寬度中心情況的立向壁板發(fā)生角變形位移最大，特別是法蘭長(zhǎng)度方向，但撓曲變形起決定作用的法蘭盤平面度指標(biāo)最小。由法蘭直角位置分別焊至長(zhǎng)度/寬度中心焊接順序的立向壁板的角變形位移和法蘭盤的平面度指標(biāo)均居于前兩種焊接順序之間。

三者之中長(zhǎng)度中心焊至寬度中心的對(duì)稱焊焊接順序，對(duì)法蘭后續(xù)裝配及介質(zhì)泄漏量的控制上具有優(yōu)勢(shì)。

3 結(jié) 論

1）方形法蘭板殼結(jié)構(gòu)的焊接變形是角變形和撓曲變形綜合作用的結(jié)果，前者因角焊縫表面和焊根焊后橫向收縮的差異引起，后者因角焊縫未處于中性軸上、焊后縱向收縮產(chǎn)生偏心力矩引起。

2）由長(zhǎng)度中心焊至寬度中心的對(duì)稱焊順序下決定泄漏量的法蘭平面度指標(biāo)最小，約為1.8mm，為寬度中心焊至長(zhǎng)度中心對(duì)稱焊的53%。

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（編輯：關(guān) 毅）