4 焊接结构的变形与断裂

4.焊接结构的变形与断裂锅炉、压力容器等结构，在焊接过程中一般都要产生焊接变形。

若变形超过允许值，必须进行矫正，但这要耗费工时；若变形严重或无法矫正，则必须报废。

结构在焊接过程中还产生焊接应力，这是一种内应力，除引起构件变形外，还会使结构产生焊接裂纹，甚至导致断裂。

断裂是不允许的，特别是锅炉、压力容器之类焊接结构，在使用中发生断裂往往伴有爆炸燃烧等，危害极大。

因此，对于焊接结构的变形和断裂必须正视和研究。

4．1焊接结构的变形焊接是个局部加热和冷却过程。

焊接接头要经过由常温→高温→常温的热循环过程。

随着温度的升降，焊接接头局部会发生膨胀和收缩，而由于温度的不均，不同部位的膨胀和收缩量也不同，必然会相互制约而产生焊接内应力，从而引起焊接变形。

冷至室温后保留下来的变形称为焊接残余变形。

而一般所说的焊接变形，实际就是残余变形。

4．1．1 过程设备常见焊接变形与规律表4-1 低碳钢对接焊缝的近似横向收缩变形量就焊接区域的局部来说，焊接变形只有沿焊缝长度方向的纵向收缩和沿垂直焊缝方向的横向收缩两种形式。

其收缩量的大小受材料种类、板厚大小、坡口与接头型式和焊接方法等多种因素影响，不易定量计算。

对于低碳钢的焊缝收缩变形量，现提供一些试验近似值：对接焊缝纵向收缩量0.15~0.30mm/m；连续角焊缝为0.20~0.4mm/m；对接焊缝的横向收缩量如表4-1所示。

接局部区的收缩会引起构件的局部变形或整体变形，而这种大的宏观焊接变形的规律和形态较为复杂。

以下是过程设备中常见的焊接变形。

①纵向收缩引起的构件纵向弯曲变形。

这种变形多发生于细长件的焊接，是由非对称的沿轴向长度方向焊缝的纵向收缩引起，其弯曲凹面位于焊缝一侧。

典型的如小直径薄壁卷焊圆筒，有时会出现图4-1所示的纵向弯曲变形。

图4-1 焊缝纵向收缩引起的纵向弯曲变形4-2 人孔焊接引起细长塔壳的纵向弯曲变形。

②横纵向收缩引起的构件纵向弯曲变形在细长构件上，若沿长度方向一侧的焊缝较多，由于这些焊缝的横向和纵向收缩是沿构件长度方向的，则众多焊缝的收缩综合作用，往往使整个构件产生明显的纵向弯曲变形。

而且一般情况下，焊缝横向收缩引起的弯曲变形率约为同样长度的焊缝纵向收缩所引起的弯曲变形率的1~3倍。

可见焊缝的横向收缩危害更大。

图4-2是上世纪60年代初我国某厂制造的一台分馏塔壳体的纵向弯曲变形。

其壳体一侧人孔较多，当时由于制造经验不足，当全部人孔焊接完成后，结果整个壳体沿纵向产生了超标整体弯曲变形，最终因无法校正导致大返工。

锅炉集箱也是典型的横纵向收缩引起纵向弯曲变形的焊接结构。

集箱主体通常是直经较大的管子，其一侧焊有众多小直径管接头，若不采取相应措施，由于它们间连接焊缝的横纵向收缩，集箱主管就产生显著的纵向弯曲变形，如图4-3上所示。

上述二例的纵向变曲变形，实际是由角焊缝的横向收缩和纵向收缩共同作用的结果，但横向收缩作用远大于纵向收缩作用，故可简单地称其为横向收缩引起的整体纵向弯曲变形。

③横向收缩引起的角变形或挠曲变形当焊缝的横向收缩变形量沿厚度方向不均时，接头就会产生角变形，其变形角总是在焊缝金属多的一面。

一般来说，坡口大角变形就大，尤其在坡口不对称时。

在板厚和坡口形式相同时，多层焊较单层焊角变形大，多道焊较多层焊角变形大。

材料或焊接方法不同，角变形也不同。

如图4-4所示。

搭接接头和丁字接头同样也会产生角变形。

上—锅炉集箱管焊后变形下—集箱反变形转胎手工电弧焊八层角变形7o手工电弧焊22道角变形13o钢垫板上埋弧焊角变形5o图4-4低碳钢对接焊缝角变形过程设备壳体上的对接纵焊缝，随其坡口形式不同，会产生外凸或外凹的角变形。

如图4-5所示为外凹角变形，为此焊后必须进行校圆。

各种壳体上焊有接管时，其与壳体连接的角焊缝也会产生不同程度的角变形。

如管壳式换热器圆筒壳上的进出口接管角焊缝，角变形严重时会使接管连接处的筒壳部分明显下凹，如不校正，会使管束的装配变得困难甚至不可能，如图4-5b所示。

平焊法兰，当焊脚尺寸过大或施焊工艺不当时，亦会产生较大角变形，如图4-5c所示。

除上述典型变形外，某些过程设备，如油罐罐底和焊制塔盘板等，由于其壁相对较薄和焊接压应力的作用会失稳而产生波浪变形。

此种变形多见于焊缝较多的薄板结构。

当构件厚度足够大时，由于本身的刚性很大，也不会有明显的焊接变形产生。

图4—5不同结构的角变形a—薄壁圆筒纵缝外坡角变形b—薄壳接管处角变形c—法兰单面焊角变形4．1．2 焊接变形的危害与控制焊接变形不仅影响构件形状和尺寸精度，而且也降低构件的可靠性。

例如圆筒内压容器的纵焊缝若存在较大的角变形，将引起较大的局部附加弯曲应力，易导致断裂事故发生；外压容器在形状偏差大时将明显降低其临界压力，易导致失稳破坏。

为此，对焊接变形必须控制在有关标准限制范围以内。

其控制途径一般是从防止、减小和消除三方面入手。

对于大型或复杂结构，焊接变形不易校正，故应立足于防止和减小。

这就要首先掌握焊接变形的影响因素和规律，这方面实践经验知识也很重要。

与焊接残余应力的控制一样，焊接变形也必须由结构设计和焊接工艺两方面进行控制。

（1）合理设计焊接结构若焊接结构设计恰当合理，将比在工艺上采取措施更为有利。

①焊缝尺寸大，不但焊接工作量大，且焊接变形变大。

故应在保证承载条件下尽量采用小的焊缝尺寸，尽可能减少焊制另部件和焊缝数量。

②不少整体纵向弯曲焊接变形是由焊缝布置不对称引起的，故应尽可能采用对称设计原则配置焊接附件和焊缝，使其变形互相抵消和减小。

如图4-2中的细长塔壳，若仅从减小焊接变形来说，将人孔180°对称配置就不会产生过大的纵向弯曲变形。

在板厚较大时，采用X形等对称坡口较V型非对称坡口有利于减小焊接变形。

（2）采取适当的工艺措施①正确地选择焊接方法和焊接规范线能量较低的焊接方法有利于减小焊接变形，如CO2气保焊较手工电孤焊变形小，手工电孤焊比气焊变形小。

薄壁件焊接易变形，各种气体保护焊均有利于减小焊接变形。

②反变形法这是生产中最常用的方法，焊前估计好构件变形的大小和方向，焊前使其反向变形，焊时产生的变形与反向变形相抵消。

例如图4-3下所示锅炉集箱的纵向变曲变形和图4-6壳体上接管处的角变形，均为采用反变形法焊接的例子。

③刚性固定法构件刚性大时，焊接变形就小。

为此可以用专门的夹持装配工艺或构件本身的刚性相互制约来减小变形。

如焊制法兰的角变形，可以采用图4-7的方法，防止法兰环产生角变形。

但必须注意，此法仅适用于低碳钢之类焊接性良好的材料。

因为构件刚性增加，焊接应力也会增加，这对易淬钢和裂纹敏感性大的材料是不利的，故此类材料一般不宜采用刚性固定法。

图4—6 反变形法焊接接管图4—7 刚性固定法焊接法兰还有一种半软刚性约束法。

该方法是在焊缝长度装置间隙片和夹具，然后填充一定直径的圆钢进行点固焊。

通常，在焊接无圆钢一侧底焊缝后，或连焊两层后，再拆除圆钢并清根，然后分别焊两侧焊缝。

用该法控制角变形较理想，焊后残余应力小，耗用辅助材料适中，辅助焊道也少，适用于各种容器的焊接，在大型球罐的焊接中也得到应用。

图4—8 半软刚性约束法防角变形④正确地确定装配焊接次序装配焊接次序不当，可能产生很大的焊接变形，甚至无法校正而报废。

如图4-9是一个直径1.6米的固定管板式换热器壳体，在靠近管板端部焊有一个直径接近壳体半径的大直径接管。

最初是先将圆筒壳与一端管板焊接后，再在壳体上开孔并焊接接管。

结果焊后圆筒壳产生了显著变形，圆筒与管板严重不垂直，且无法校正而导致大返工。

后改为将接管先与圆筒壳焊完并校正好后再将圆筒壳与管板焊接，从而避免了上述大变形的发生。

当然这并非是防止其大变形的唯一方法，采取其它适当措施也会收到同样防止变形的效果。

关于施焊顺序，有同一条焊缝的焊接和不同焊缝间的焊接两种情况。

对于同一条焊缝，要注意后焊时刚度增大的不对称性。

如图4-10所示对称坡口焊缝，若先焊完一面后再焊另一面，则另一面角变形小于先焊面，因为焊另一面时先焊面已焊成，其刚度大大增加，后焊面的角变形就小了。

合理的次序应是先在一面焊一层或几层后，反面焊另一面，且焊层数应较先焊面多，依此变替完成整个焊缝焊接。

同理，在焊接非对称坡口时，应先焊小的坡口，后焊大的坡口。

图4-9大直径接管焊接引起圆筒壳偏斜变形（焊接顺序：焊缝1→2）图4-10焊接顺序对于不同焊缝的焊接次序，若各焊缝对称于构件形心轴侧布置，应对称地交替焊接，以减小可能的弯曲变形；若各焊缝非对对称于构件形心轴侧布置，应先焊焊缝少或焊角小和距形心轴近的焊缝，而对变形影响最大的焊缝要放到最后焊。

（3）焊接变形的矫正如果采取了各种措施后仍然存在超标焊接变形，就必须进行矫正。

常用的方法是机械压力来矫正和火焰加热矫正法。

例如，圆筒纵向焊缝的变形，焊后通常是用卷板机进行校圆；细长件的弯曲变形可以由压力机施加反向压力来矫直。

火焰矫正法必须有丰富的实践经验，否则会使变形更加严重。

有关焊接变形的具体矫正方法可参阅有关文献。

4．2焊接压力容器的断裂破坏4．2．1焊接结构的特点与断裂破坏类型焊接结构与铆、铸、锻相比，具有节省材料，施工简便省时和成本低等优点，因此在众多行业中获得了广泛应用，尤其过程设备中的承压容器和管道，大多是焊接结构。

但另一方面，焊接结构又有某些弱点：接头具有成分、组织和性能不均匀性；存在焊接缺陷和残余应力与应力集中；具有整体性，其防裂止裂性不如铆接等。

由于其弱点，国内外均曾发生过各种焊接结构断裂事故。

如第二次世界大战期间，比利时阿尔拜特运河上的50余座焊接桥梁，曾在两年内有10余座发生断裂；二战期间美国建造的1500艘轮船，有半数发生过不同程度的断裂，其中少数断为两半；1971年西班牙马德里5000m3球罐在水压试验时破裂；1979年我国有吉林液化石油气球罐和温州液氯钢瓶大爆炸的重大事故。

对于焊接结构的断裂，人们予以高度重视，并对其产生原因和防止措施不断地进行大量分析研究工作。

按照断裂的性质和产生原因，焊接结构主要有延性断裂、脆性断裂、疲劳断裂和应力腐蚀断裂等形态。

①延性断裂亦称塑性断裂，断裂前具有明显的塑性变形，断裂面与主应力方向呈45°，断口为暗灰色纤维状。

圆筒容器破裂前一般呈两头小中间大的鼓形，破断压力与理论计算爆破压力相近，破裂后一般无碎片，其断裂多系超压引起。

②脆性断裂在壁内应力未达材料屈服极限时发生的断裂，故又称低应力脆性断裂。

其断口面与主应力方向垂直且呈银白色粒状。

断裂前不发生塑性变形，无征兆，故不易察觉和预防。

例如1968年日本一球罐在水压试验过程中发生破裂，破裂时压力尚未升至设计试验压力，其壁内应力仅为材料屈服限的35%，为典型的脆性断裂事故。

③疲劳断裂在多次循环波动载荷作用下产生疲劳裂纹并逐渐扩展，最后导致断裂，其断口有明显的裂纹扩展区和最后断裂区。