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近期某公司承接了一批WNS系列锅炉，其管板厚度达到22mm，直径都在3000~3500mm，而该公司采购的钢板宽度为2500mm，这样管板都要进行拼接，拼缝长度在3000~3500mm，焊接方法为埋弧焊。以前，该公司拼接的厚管板，焊接之后都会出现角变形（见图1），为了满足管板平面度的要求，都要在压力机上采用机械矫正的方法对管板进行校平，由于该公司的压力机平台宽度尺寸所限，本次即将焊接的管板严重超宽，将无法进行校平。如果不解决管板焊接角变形问题，将会直接影响到产品的制造质量、制造工期等。
为了解决管板角变形量超标的问题，该公司组织攻关小组，经过理论分析和现场试验，采取了有力的措施：焊前利用钢板的重力预留反变形余量、合理调整焊接参数、采用重力自重法焊接，从而保证每块管板焊后基本无角变形，结果都满足相关标准的要求（按GB/T 16508.4—2013第4.4.5.4的规定，管板平面度为≤10mm[1]）。金属的强度是随温度的变化而变化的，对于碳素钢来说，当加热温度超过700℃时，其屈服极限几乎为零，对变形没有任何抗力。因此，焊缝及焊缝附近加热温度超过700℃的金属，由于其伸长受到两侧金属的阻碍而产生的压缩变形全部为塑性变形，这种塑性变形的产生，正是造成焊件在冷却后产生焊接残余变形的原因[2]。对于厚板，焊接时焊件正面加热温度较高，焊件在加热过程中产生压缩塑性变形。冷却时正面所产生的收缩变形比较大，而背面的收缩变形则比较小，这样在厚度方向上不均匀的横向收缩变形就会引起角变形。另外，厚板在焊前都要开坡口，特别是对于单面坡口，焊缝的截面总是上宽下窄，因而横向收缩在焊缝的厚度方向上分布不均匀，上面大、下面小，结果就形成了焊件的平面翻转，两侧向上翘起一个角度。（1）降低管板的承载能力。对于管板有角变形的部位，一般都有比较大的应力集中，在外载荷作用下，这些部位会产生更大的应力集中和附加弯曲应力，严重时甚至会导致接头的低应力脆性断裂，造成整个结构的破坏。（2）增加企业制造成本。由于焊接角变形，使得管板的平面度达不到设计要求，所以必须进行矫正，平时采用的是机械矫正法，在压力机上对其进行矫正，这样就使得制造周期加长，成本增加；同时在矫正角变形时，接头必然有部分金属产生塑性变形而造成加工硬化，使得该区域的塑性降低。（1）焊缝长度与数量。焊缝越长、数量越多，热源在焊接过程中对焊件的热作用就越大，接头区域金属在加热过程中压缩塑性变形也越大，因此焊件在冷却后不但变形增大，还有可能使变形变得复杂。因此，减小焊缝长度，减少焊缝数量，不仅能够有效地减小焊接变形，还可以减小结构的焊接应力，缩短结构的制造周期。（2）装配间隙与坡口形式。装配间隙越大，坡口截面需要填充的面积大，则填充金属量也越大，因而冷却时的收缩量也越大，焊件在焊后产生的焊接变形也就相应变大。在相同条件下，几种常用典型坡口形式焊接变形量大小的比较如图2所示。
（3）焊接热输入。焊接接头金属在焊接热源加热过程中产生的压缩塑性变形越大，焊件在冷却后产生的焊接变形也越大。由于热输入与这种压缩塑性变形成正比，即热输入越大，焊接接头金属在焊接加热过程中的压缩塑性变形也越大，因此热输入越大，焊接变形就越大。（4）焊接层数与道数。当接头既可以单道焊又可以多层多道焊时，单道焊的焊接变形就比多层多道焊大。这是因为单道焊时熔敷金属是一次性将坡口填满的，所以焊接接头金属在收缩时是在整个厚度上同时进行的；而多层多道焊时，已冷却的熔敷金属使得接头的刚度增大，在之后的焊道焊接时，焊件收缩变形受到的拘束增大。因此，随着焊接层数、道数的增加，后焊焊道所引起的变形越来越小，焊件最后的焊接变形主要是由先焊焊道所造成的。（5）多层多道焊的焊接顺序。为了防止角变形，厚板对接接头有时选择对称的坡口形式，但当焊接顺序不合理时，仍有可能产生较大的角变形，如图3所示。
（6）采用分段焊、跳焊及退焊。这些方法只适用于焊条电弧焊、CO2气体保护焊等手工操作的焊接方法。对于埋弧焊来讲，这种方法不适用，因为在起弧和收弧接头处，没有手工操作好控制，容易造成焊接缺陷。通过上述理论分析，针对该公司的产品特点，采取了利用钢板的重力预留反变形、采用自重法焊接、合理选择焊接参数等方法，在一管板上进行试验。试验用管板材质Q355R，厚度为22mm，管板采用两张板拼接，板宽度分别为2500mm、1000mm，焊缝长度为3500mm，采用埋弧焊进行焊接，焊接材料为φ4mm的H10Mn2焊丝与SJ101焊剂。（1）组对。钢板组对时，为减小焊接变形及不产生焊穿的情况，保证坡口间隙为0~1mm、钝边，坡口角度如图4所示。
注：组对时不需要预留反变形余量，错边量控制在0~2mm。（2）预留反变形。反变形的形成：利用钢板的重力作用，自然形成，从而使正面焊后角变形不太大（见图5b）。采取措施：焊剂垫应支撑焊缝，使焊缝的位置高于两侧支撑10mm，正面焊后焊接角变形为0.85°（见图5c）。（3）焊接。焊接时，选择合理的焊接参数，采用多层多道、正反面施焊，同时正确放置支撑位置，以减少焊接角变形的产生。正面焊接：为了减小焊接角变形，焊接时，焊接电流不能太大，特别是第一道焊缝。焊接参数见表1。背面焊接：采用自重法焊接，此时焊剂垫不能支撑焊件，两侧支架支撑钢板（两侧支架高度应当一致），使焊件悬空（此高度约为10mm，见图5d）。这样在焊接过程中，利用钢板的重力，使焊缝及热影响区温度高的部位发生塑性变形，从而完全或基本抵消正面焊接残余角变形。另外，背面焊接时，焊工应根据正面焊接时角变形的大小来调整焊接参数，如果正面角变形量大，则在背面焊接时应采用较大的焊接电流，同时使支架远离焊缝中心线；反之，如果正面焊后角变形量小，则焊接时降低焊接电流，支架应靠近焊缝中心线。a）组对定位焊固定 b）正面焊接前反变形
c）正面焊接后的变形 d）背面利用自重法焊接
图5 预留反变形
焊后对此管板角变形进行测量，角变形量为0.11°，平面度为2mm（满足GB/T 16508.4—2013第4.4.5.4的规定，角变形量≤0.57°，管板平面度≤10mm）。采用上述方法，对该公司制作的共10台产品，其余19件大直径管板进行拼接焊接，这些管板的角变形量在0.05°~0.11°，平面度在1.22~2mm，都达到了焊接角变形很小的良好结果，满足了相关制造标准的要求。综上所述，埋弧焊在锅炉压力容器制造企业是一种常用的焊接方法，随着产品制造尺寸的大型化，厚板长焊缝的拼接是常规现象。在制造过程中，采用焊前利用钢板的重力预留反变形余量、合理调整焊接参数、采用重力自重法焊接，就能避免板状对接焊缝角变形过大，使此类焊缝的角变形量控制在标准要求的范围内，从而能大大提高生产效率，降低生产企业的制造成本。本文发表于《金属加工（热加工）》2020年第6期，作者： 杨晓敏等。
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