焊接顺序对大型容器方形法兰焊接变形的影响

赵智力 王鹏 刘鑫 王敏

摘 要：针对大型容器升高座方形法兰结构的焊接变形问题，结合焊接过程的仿真计算结果，分析了变形的性质及发生机理，考察了焊接顺序对变形的影响，结果表明：法兰盘与立向壁板之间的大尺寸角焊缝焊后因焊缝表面的横向收缩远大于焊根而发生明显的角变形;同时又因该角焊缝偏离结构中性轴、并位于中性轴的下方，因而法兰呈现上凸的挠曲变形;法兰的变形是角变形和挠曲变形综合作用的结果。法兰的平面度决定容器泄漏情况，长度中心焊至宽度中心的对称焊顺序下的法兰平面度最小，约为1.8mm，为宽度中心焊至长度中心对称焊的53%。

关键词：焊接顺序;方形法兰;角焊缝;角变形;挠曲变形

DOI：10.15938/j.jhust.2019.04.015

中圖分类号： TG 404

文献标志码： A

文章编号： 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

在大型容器制造过程中，往往因各种需要而设置不同形状的开口和法兰，其中带有升高座的方形法兰-板壳结构通常因法兰尺寸大、连接壁板板厚尺寸相对较小而导致结构刚度较低，在焊接过程中的不均匀加热和冷却、各区域不协调的塑性变形的驱动下形，将影响结构尺寸精度，使结构之间装配困难[3]，如果勉强装配会产生超过容许限度的装配应力而减弱结构承受能力[4-7]。

通常减小结构焊接变形量的方法有调整焊接顺序、优化结构、改变热输入或者加强焊件约束等[8，9]，相对其他可以减小焊接变形量的方法，调整焊接顺序在实际生产中具有简单易行，成本低廉等优点[10]。同时焊接过程中，焊接顺序是影响结构件焊接变形重要因素之一，优化焊接顺序可有效地控制焊接变形[11-17]，因此预测不同焊接顺序下结构件的变形，对于焊接结构的完整性设计和制造工艺方法的选择有着重要意义[18-20]。

本文采用Marc有限元软件对大型容器升高座方形法兰-板壳结构三种不同焊接顺序下结构的焊接变形情况进行仿真计算，研究容器带升高座的方形法兰-板壳结构的焊接变形性质和焊接顺序对结构焊接变形的影响趋势。

1 有限元模型的建立

考虑到结构的焊接组装顺序是：先焊接法兰盘和升高座立向壁板之间的外侧角焊缝、且该焊缝焊后变形立即出现，后续立向壁板焊到下方容器上的角焊缝以及其他辅助焊缝焊后上述变形并未得到矫正和减小。鉴于上述实际生产状况，为有效简化结构、减小计算量，建模时处理为只考察第一道焊接工序、即法兰盘和升高座立向壁板之间的焊接即可。方形法兰盘尺寸为5360mm×1360mm×40mm，立向壁板长度方向尺寸为4920mm×185mm×10mm、宽度方向尺寸为920mm×185mm×10mm，考虑到结构的对称性，取其1/4结构建模，结构的几何模型见图1（a），单焊道未焊透角焊缝的焊脚尺寸为8mm;图1（b）为局部放大的有限元模型，网格数量41022，最小单元尺寸为2.0mm。

方形法兰-板壳结构采用的材料为Q235A钢板，其焊接热过程仿真采用的材料热物理性能和力学性能参数见表1。

2 结果及分析

2.1 宽度中心至长度中心的对称焊顺序

图2为由方形法兰的宽度中心焊接到长度中心的对称焊焊接顺序下、焊接至50步时的焊接温度场和应力场分布情况。可以看出，焊接过程中焊缝区温度超过材料熔点、且峰值焊接应力接近Q235A材料的常温屈服强度值。

2.3 法兰拐角焊至长度/宽度中心的对称焊顺序

图6为由方形法兰直角拐角位置分别焊至其长度中心和宽度中心的焊接顺序情况下、焊后冷却至室温且卡具卸掉后结构的焊接变形情况（变形放大15倍）。由图6（a）、图 6（b）可以看出，方形法兰长度方向的角变形量略小于宽度方向，且长度方向上法兰盘内侧的竖直位移大于法兰盘外侧的竖直位移，同时法兰盘长度中心附近的较大区域呈现正向挠曲竖直位移峰值，故法兰盘整体呈上凸的变形趋势，且方形法兰盘表面在长度方向有轻微的扭曲变形趋势。该焊接顺序下法兰的平面度为2.34mm。

3种对称焊焊接顺序下的测试结果与仿真计算结果趋势相符，一致性较好。其中由宽度中心焊至长度中心情况的立向壁板角变形位移最小，但挠曲变形起决定作用的法兰盘平面度指标最差;而长度中心焊至宽度中心情况的立向壁板发生角变形位移最大，特别是法兰长度方向，但挠曲变形起决定作用的法兰盘平面度指标最小。由法兰直角位置分别焊至长度/宽度中心焊接顺序的立向壁板的角变形位移和法兰盘的平面度指标均居于前两种焊接顺序之间。

三者之中长度中心焊至宽度中心的对称焊焊接顺序，对法兰后续装配及介质泄漏量的控制上具有优势。

3 结 论

1）方形法兰板壳结构的焊接变形是角变形和挠曲变形综合作用的结果，前者因角焊缝表面和焊根焊后横向收缩的差异引起，后者因角焊缝未处于中性轴上、焊后纵向收缩产生偏心力矩引起。

2）由长度中心焊至宽度中心的对称焊顺序下决定泄漏量的法兰平面度指标最小，约为1.8mm，为宽度中心焊至长度中心对称焊的53%。

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（编辑：关 毅）