论文部分内容阅读
焊接变形始终是在实际生产过程中所必须面临的问题,特别是某些尺寸大、连接壁板板厚尺寸相对较小而导致整体刚度较低的复杂结构,在焊接过程中受到不均匀加热和冷却、各区域不协调的塑性变形的驱动下最终容易形成较大的残余变形,变形量较大会影响到后续的装配精度,通常需要焊后变形矫正。因此焊接变形是焊接结构中的重点研究内容。本文针对由材质为Q235A钢板所构成的某大型容器升高座方形法兰-板壳结构在生产加工过程中所遇到的实际变形情况进行分析。并采用MSC.Marc有限元模拟软件对该结构的焊接过程进行了仿真计算,研究了该类结构焊接变形的性质及发生机理,考察了焊接顺序对方形法兰焊接变形的影响。在此基础上对方形法兰盘表面平面度指标最小的情况,施加不同的火焰矫正方案,考察矫正后方形法兰盘表面平面度指标。研究发现:1.有限元模拟结果表明,方形法兰-板壳结构的焊接变形是由法兰盘与立向壁板之间的角变形和结构整体的向上凸起挠曲变形共同作用的结果。前者由角焊缝表面和焊根焊后横向收缩量的差异引起,在法兰长度方向上角变形角度约为1.32°,对应立向壁板最大水平位移值为3.5 mm、宽度方向上角变形角度约为0.97°,对应立向壁板最大水平位移值为2.6 mm。而后者则与角焊缝位于中性轴的一侧、焊后焊缝区纵向收缩产生偏心力矩直接相关,法兰盘平面度6.1 mm。焊后残余应力分布主要集中在焊缝及近缝区域,其中最大残余应力值大约为334 MPa,略高于材料常温状态下屈服强度值。模拟结果与实际生产加工情况一致性较高,因此作为后续优化方案的参照。2.各种优化焊接顺序方案均对方形法兰盘表面平面度指标以及法兰角变形量产生不同程度的影响:其中,法兰由宽度中心焊至长度中心的对称焊,角变形角度最小,长度方向上约为0.29°,对应立向壁板最大水平位移值为0.8 mm、宽度方向上约为0.37°,对应立向壁板最大水平位移值为1.0 mm,但法兰平面度指标最差,约为3.22 mm;而由长度中心焊至宽度中心的对称焊,角变形角度最大,长度方向上约为1.6°,对应立向壁板最大水平位移值为4.3 mm、宽度方向上约为0.74°,对应立向壁板最大水平位移值为2.0 mm,但法兰平面度指标最优,约为1.75 mm;由法兰直角位置分别焊至长度/宽度中心与宽度/长度中心的对称焊,角变形角度和法兰平面度指标均居于前两者之间。从方形法兰盘表面平面度指标最小的角度考虑,确定焊接顺序为由法兰长度中心焊至宽度中心的对称焊,在此基础上进行后续火焰矫正。3.在方形法兰-板壳结构的焊缝背侧施加与焊缝宽度相同的火焰进行矫正,采用由长度中心至宽度中心的加热顺序,加热速度为5.0 mm/s、过程温度约为700±20℃,角变形角度有着显著的减小。在方形法兰长度方向上角变形角度约减小到1.37°,对应立向壁板最大水平位移值减小到3.8 mm、在宽度方向角变形角度基本完全矫正,约减小到0.07°,对应立向壁板最大水平位移值减小到0.2 mm。4.在方形法兰宽度方向的厚度平面上,采用由下向上加热的顺序,加热速度为1.0 mm/s、过程温度约为850±30℃。结果显示:方形法兰盘表面平面度降至约1.14 mm,同原始变形情况相比平面度降低约81.3%。在方形法兰-板壳结构焊缝对角处,施加与对角宽度相同的火焰进行矫正,采用由长度中心至宽度中心加热顺序,加热速度为5.0 mm/s,过程平均温度约为700±50℃,矫正后法兰盘表面平面度降至约1.12 mm,同原始变形情况相比平面度降低约82%。根据模拟结果,达到了平面度降低60%的预期目标,最终确定方形法兰-板壳结构的建议性焊接工艺方案,通过实际生产加工进行验证校核。