管板與殼體連接焊接接頭失效的結(jié)構(gòu)因素分析論文

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　　熱交換器產(chǎn)品中的固定式不帶法蘭的管板與殼體的連接焊接接頭是產(chǎn)品上的主要焊接接頭,制造過(guò)程中焊接接頭內(nèi)部組織的缺陷,如夾渣、氣孔、未熔合、未焊透、裂紋以及組織粗大等,將影響焊接接頭的機(jī)械性能,也影響產(chǎn)品使用的可靠性,給使用單位帶來(lái)不必要的經(jīng)濟(jì)損失,是個(gè)不可忽視的問(wèn)題。通過(guò)對(duì)焊接接頭性能影響因素的分析和實(shí)驗(yàn),調(diào)整相應(yīng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)和焊接工藝參數(shù),防止焊接接頭缺陷的產(chǎn)生,提高接頭機(jī)械性能,從而提高產(chǎn)品的使用壽命,減少損失,節(jié)約了材料。

　　1 問(wèn)題的提出

　　在產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程中,焊接結(jié)構(gòu)參數(shù)、焊接工藝參數(shù)、焊接前的準(zhǔn)備和操作方法等因素都會(huì)影響焊接接頭的質(zhì)量,在焊接時(shí)就要通過(guò)控制相關(guān)技術(shù)參數(shù)來(lái)控制焊接接頭內(nèi)部質(zhì)量,盡可能提高焊接接頭的機(jī)械性能。在諸多技術(shù)因素中以結(jié)構(gòu)參數(shù)和焊接工藝參數(shù)對(duì)焊接接頭質(zhì)量影響最大,為此,坡口尺寸變化對(duì)焊接接頭質(zhì)量的影響及焊接工藝參數(shù)對(duì)焊接接頭質(zhì)量的影響是本課題的主要內(nèi)容。

　　通過(guò)研究不同尺寸的坡口用相同焊接工藝參數(shù)下焊成的接頭在焊接接頭組織、機(jī)械性能、焊接應(yīng)力分布的變化;比較對(duì)焊接接頭質(zhì)量影響最小的結(jié)構(gòu)尺寸,選出最優(yōu)技術(shù)參數(shù)。

　　2 坡口尺寸的確定

　　產(chǎn)品的設(shè)計(jì)坡口尺寸如圖1所示,其中,管板車邊尺寸為0.25δ,與殼體組對(duì)后坡口間隙為0.4δ1,具體根據(jù)不同的板厚在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中有明確的規(guī)定。

　　本課題根據(jù)中生產(chǎn)單位的實(shí)際情況,δ和δ1的取值如表1。根據(jù)表中的數(shù)據(jù),按《鋼制壓力容器》標(biāo)準(zhǔn)的有關(guān)規(guī)定,可以分別計(jì)算出管板車邊尺寸和坡口間隙尺寸,也列于表1中。

　　在本次試驗(yàn)中,為了減少工作量,試件的坡口組對(duì)成大小端,最大值取6mm,最小值取1mm。雖然該值與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的要求有出入,但符合焊接工藝中保證焊接接頭質(zhì)量的有關(guān)要求,對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的正確性影響不明顯。

　　3 模擬試驗(yàn)與檢測(cè)

　　為保證結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)焊接接頭的組織、應(yīng)力和機(jī)械性能等方面影響的試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確,在焊接過(guò)程中,要求焊接工藝參數(shù)保持不變。

　　本試驗(yàn)的試件結(jié)構(gòu)與產(chǎn)品實(shí)際使用的結(jié)構(gòu)相近。對(duì)焊接接頭的檢測(cè)主要包括焊接接頭熱影響區(qū)應(yīng)力值、機(jī)械性能測(cè)試和熱影響區(qū)組織分析。

　　3.1應(yīng)力測(cè)試

　　應(yīng)力測(cè)試時(shí)采用了應(yīng)力釋放法。

　　通過(guò)焊接接頭區(qū)或焊接熱影響區(qū)某點(diǎn)處的應(yīng)變量測(cè)試,計(jì)算出該點(diǎn)的應(yīng)力值。用此法檢測(cè)比較簡(jiǎn)單,所需測(cè)試設(shè)備簡(jiǎn)便。雖然數(shù)據(jù)不夠準(zhǔn)確,但同一試件測(cè)試的數(shù)據(jù)有對(duì)比性,對(duì)本課題來(lái)說(shuō)完全符合要求。

　　測(cè)試時(shí),為使焊接熱影響區(qū)的應(yīng)力相對(duì)準(zhǔn)確且有對(duì)比性,試驗(yàn)時(shí)選焊接接頭焊趾兩側(cè)5mm處平行于焊接接頭中心線的直線上作為測(cè)試焊接應(yīng)力的位置,并以5mm的間距為一測(cè)試點(diǎn),兩側(cè)兩端各測(cè)6點(diǎn)。

　　3.2機(jī)械性能測(cè)試

　　應(yīng)力測(cè)試后的試件用機(jī)械加工的方法加工成拉伸試樣,測(cè)試其機(jī)械性能。

　　4 數(shù)據(jù)分析

　　4.1測(cè)試點(diǎn)應(yīng)力與焊接接頭距離的關(guān)系

　　以上數(shù)據(jù)表明,離焊接接頭不同的距離的各點(diǎn)間的應(yīng)力是不同的。離熔合線越近,應(yīng)力值越大;離熔合線越遠(yuǎn),應(yīng)力值越小。表明高溫區(qū)更易產(chǎn)生較高的應(yīng)力。

　　4.2坡口間距對(duì)應(yīng)力的影響

　　坡口間距對(duì)應(yīng)的影響也較為明顯,從表中可以看出,坡口間距越大,應(yīng)力值也有明顯的增大,最大間隙處應(yīng)力值(為最小間隙處應(yīng)力值的3.5倍左右)。從理論上分析,坡口越大,需填充的金屬越多,焊接時(shí)熱作用時(shí)間越長(zhǎng),溫度也越高,因而產(chǎn)生更大的應(yīng)力。

　　4.3坡口間距對(duì)機(jī)械性能的影響

　　可以看出,坡口間距對(duì)機(jī)械性能的影響較小,但坡口間距對(duì)缺陷有較大的影響。兩個(gè)試樣都做了宏觀金相檢查,坡口間距越小,未焊透缺陷傾向增加。所以,坡口間距間接地影響了焊接接頭的強(qiáng)度,降低疲勞強(qiáng)度。

　　5 金相分析

　　在相應(yīng)的最大坡口端和最小坡口端,分別取試樣進(jìn)行金相分析,對(duì)比母材金相,組織變化差異很小。可見(jiàn),因所用材料為普通碳素結(jié)構(gòu)鋼(管板和筒體材料都選用了Q235-B),這類材料的組織在加熱時(shí),長(zhǎng)大傾向并不明顯。可以認(rèn)為,坡口間距對(duì)焊接接頭及熱影響區(qū)金屬組織的影響是不大的。或者說(shuō),因焊接接頭及熱影響區(qū)金屬組織所引起的焊接接頭失效現(xiàn)象的因素要比焊接缺陷和應(yīng)力變化所產(chǎn)生的影響小得多。

　　6 結(jié)論

　　通過(guò)以上分析,造成管板與殼體連接焊接接頭失效的重要因素中,坡口尺寸大小是其中之一。因?yàn)槠驴诔叽绱笮��?duì)焊接接頭內(nèi)部缺陷的產(chǎn)生及熱影響區(qū)的焊接殘余應(yīng)力大小有著重大的影響,坡口越大,焊接缺陷產(chǎn)生的可能性增加,焊接殘余應(yīng)力增加。在焊接實(shí)踐中,可以通過(guò)選擇合適的坡口尺寸,配以合理的焊接工藝參數(shù),盡可能降低焊接接頭及熱影響區(qū)的焊接殘余應(yīng)力,則可以減少此類失效現(xiàn)象的發(fā)生,從而減小生產(chǎn)中的經(jīng)濟(jì)損失。

　　參考文獻(xiàn)

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