一種封頭多支柱焊接防變形工裝的研究與應(yīng)用

摘 要：文章介紹了一種封頭多支柱焊接防變形工裝，通過剛性固定、精確定位、反變形措施，有效減小了支柱的焊接變形，保證了支柱的焊接質(zhì)量，同時(shí)也減輕了裝配難度。

關(guān)鍵詞：封頭多支柱；防變形；剛性固定；反變形

引言

立式壓力容器與地面的固定支座形式主要有腿式支座、耳式支座、支承式支座及裙座。支座與容器均采用焊接形式連接，裝焊過程容易變形。圖1所示為該廠生產(chǎn)的某種立式容器設(shè)備局部示意結(jié)構(gòu)，其整體主要由上封頭、筒體、下封頭組成；下封頭有多用于現(xiàn)場安裝固定的支柱組件，該支柱組件由支柱和底板焊接而成。

因其焊接技術(shù)要求高，特別是安全級(jí)別要求更高，故對(duì)其裝配、焊接質(zhì)量要求較高[3]。裝焊時(shí)支柱組件軸線與封頭軸線平行，均布在以封頭軸線為中心的約Φ3600mm的圓周上，各支柱組件相對(duì)封頭四中心線的位置度為Φ5.1mm，裝焊成形后底板需在同一高度。然而，支柱組件與封頭相焊一端的坡口形式屬于變角度異形坡口，焊接量大且各個(gè)支柱焊縫形式不對(duì)稱，焊接時(shí)極易因?yàn)樽冃味_(dá)不到產(chǎn)品的技術(shù)要求。文章針對(duì)此種封頭多支柱焊接結(jié)構(gòu)的裝焊工藝及防變形工裝進(jìn)行了研究。

1 支柱加工、裝焊方案分析

由于焊接過程中焊件受熱往往不均勻，被焊金屬各部分受熱時(shí)的膨脹與冷卻時(shí)的收縮情況也不相同，導(dǎo)致焊件不均勻不均勻的膨脹與收縮，從而使焊件內(nèi)部產(chǎn)生焊接應(yīng)力而引起焊接變形。而本支柱與封頭間的焊接坡口各向均不相同，必然導(dǎo)致支柱焊縫各處收縮不均，從而使立柱發(fā)生變形。

同時(shí)考慮到支柱是直接焊在封頭球面上，單個(gè)裝配、焊接很難保證各支柱的位置度和一致性，故必須采用的裝焊工藝為：將各支柱聯(lián)成一整體進(jìn)行坡口加工及裝焊。因此必須設(shè)計(jì)一種防變形工裝來實(shí)現(xiàn)上述工藝。

2 防變形工裝結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)

2.1 防變形工裝結(jié)構(gòu)

為實(shí)現(xiàn)支柱同時(shí)裝配、焊接的需求，我們?cè)O(shè)計(jì)了防變形工裝，如圖2。其主體結(jié)構(gòu)自下而上由固定環(huán)構(gòu)件、定位銷、螺栓、V形板、半環(huán)組成。

固定環(huán)構(gòu)件為環(huán)狀八角形，是整個(gè)防變形工裝的基礎(chǔ)。其主體由厚鋼板拼焊而成，保證在使用過程中具有很好的剛性，同時(shí)，其上、下表面經(jīng)機(jī)加工而成，使各支柱組件具有同一基礎(chǔ)平面。構(gòu)件上等分加工有銷孔和螺紋孔，用于對(duì)支柱組件進(jìn)行中心定位及把緊。在每處銷孔及螺紋孔處外側(cè)附近焊有箱形臺(tái)面，臺(tái)面高度略低于支柱坡口最低位置。

定位銷實(shí)現(xiàn)對(duì)支柱進(jìn)行中心定位。定位銷直徑與固定環(huán)構(gòu)件上定位銷孔和底板上孔進(jìn)行配加工，保證其定位精確。

V形板為一端帶V形缺口的方板，V形缺口為支柱上部的定位基準(zhǔn)，V形缺口兩側(cè)的板側(cè)面各加工有螺紋孔，用于連接半環(huán)，以對(duì)支柱上部進(jìn)行緊固。V形板與固定環(huán)構(gòu)件的凸起臺(tái)面進(jìn)行連接固定。

半環(huán)為半圓環(huán)狀，圓環(huán)內(nèi)徑與支柱外徑相配。半環(huán)兩端部設(shè)置兩小直段，并加工有通孔，通過通孔可將半環(huán)與V形板用螺栓進(jìn)行連接，以達(dá)到將支柱進(jìn)行固定作用。

使用時(shí)，各支柱組件底面均落在固定環(huán)構(gòu)件上機(jī)加表面，底板上的中心孔通過定位銷與固定環(huán)構(gòu)件進(jìn)行配合定位，用螺栓穿過底板上4個(gè)通孔將支柱底板與固定環(huán)構(gòu)件進(jìn)行擰緊；V形板與半環(huán)套在支柱上部外圓后也通過螺栓連接并擰緊，即將支柱上部固定后V形板與固定環(huán)構(gòu)件的箱形臺(tái)面也通過螺栓進(jìn)行固定，此時(shí)支柱組件的下部和上部均已固定，即各支柱已通過防變形工裝固定成一個(gè)剛性整體。此時(shí)將已固定成一個(gè)整體的支柱組件進(jìn)行端部圓弧面車加工即可保證各支柱組件的加工尺寸完全一致；同時(shí)也可將各支柱組件作為一個(gè)整體與封頭進(jìn)行對(duì)接焊，保證各支柱裝配尺寸、焊接變形情況完全相同。

2.2 防變形工裝特點(diǎn)

2.2.1 較高的定位精度。為了保證各支柱組件從裝配直至焊接完成后都能保持比較高的位置精度，防變形工裝本身須有比產(chǎn)品要求更高的定位精度。為此，采取的措施有：利用高精度機(jī)床加工固定環(huán)構(gòu)件上的定位銷孔，保證銷孔定位精度；提高支柱底板中心孔和定位銷的尺寸公差，保證定位銷與固定環(huán)構(gòu)件、支柱底板中心孔配合精度。同時(shí)此種銷孔配合的定位方式也大大減輕了裝配工藝難度。

2.2.2 整體剛性固定。各支柱分布尺寸大，同時(shí)焊接量大且不對(duì)稱導(dǎo)致變形量大，要想整體裝配同時(shí)防止支柱焊接變形過大，必須保證工裝的整體剛性。為此，我們使用較厚鋼板制做固定環(huán)構(gòu)件，并加寬環(huán)板寬度，如若有必要，固定環(huán)構(gòu)件的環(huán)形結(jié)構(gòu)也可設(shè)計(jì)為箱形結(jié)構(gòu)；同時(shí)，支柱組件應(yīng)對(duì)其上、下部同時(shí)進(jìn)行固定，即對(duì)其底板進(jìn)行固定的同時(shí)，利用V形板及半環(huán)對(duì)其上部也進(jìn)行固定。

2.2.3 采取反變形措施。根據(jù)對(duì)支柱組件的焊接變形趨勢進(jìn)行分析及實(shí)際焊接變形經(jīng)驗(yàn)，支柱組件焊接完成后，各支柱底板端均向封頭軸線方向有變形。據(jù)此，支柱組件實(shí)際裝配分布圓位置比理論位置稍向外偏移。

3 工裝的應(yīng)用效果

通過此防變形工裝，將各支柱組件固定為一剛性整體，在立車上可一次性將各支柱組件與封頭端相配的圓弧面均加工出來，加工效率高，同時(shí)圓弧面坡口尺寸一致性好；坡口加工后將各支柱組件同時(shí)裝配在封頭上進(jìn)行焊接，大大減輕了裝配難度，同時(shí)保證了裝配精度，焊接過程各支柱間剛性連接，焊接變形可通過相互間制約而達(dá)到減小目的。

4 結(jié)束語

此防變形工裝結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，既具備精確裝配定位功能，又起到防變形效果。通過剛性固定、定位銷精確定位、反變形等措施，有效解決了封頭多支柱焊接的防變形要求，同時(shí)減輕裝配難度，提高了裝配精度，同時(shí)也為變角度異形坡口焊接結(jié)構(gòu)提供可借鑒經(jīng)驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)

[1]中國機(jī)械工程學(xué)會(huì)焊接學(xué)會(huì).焊接手冊(cè)，第1卷焊接方法與設(shè)備（第3版）[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

[2]曾曉線，向凱，等.焊接應(yīng)力和焊接變形控制[J].石油化工設(shè)備，2009，3.

[3]楊順田，彭美武.核電結(jié)構(gòu)件焊接工藝與防變形[J].焊接技術(shù)，2012，7.

作者簡介：王永明（1986-），男，河北省秦皇島人，本科，哈電集團(tuán)（秦皇島）重型裝備有限公司，助理工程師，主要從事核電設(shè)備及壓力容器制造工藝開發(fā)。