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摘要：文章在结合相关文献研究以及某系列锅炉生产中厚板焊接例子情况下，主要就如何有效控制厚板长焊缝埋弧焊接变形的策略展开探析，以供广大同行参考。
关键词：厚板；长焊缝；埋弧焊；角变形；有效控制；策略
1例子分析
某系列锅炉生产中管板厚度达到22mm，直径都在3000～3500mm，而所采购的钢板宽度为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，拼接的厚管板，焊接之后都会出现角变形，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，由于我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，企业组织攻关小组，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。
2角变形产生的原因分析
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。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。
3角变形对焊接结构的不利影响
第一，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。
第二，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。
4影响焊接角变形的因素
第一，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。
第二，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。
第三，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。
第四，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。
第五，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。
第六，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。
5预防措施
通过上述理论分析，针对产品特点，我们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。
第一，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。
第二，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。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°。
第三，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。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。
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/T16508.4—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，对我公司制作的共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。
6结束语
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。
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