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【摘 要】 本文主要分析了大型储罐罐底的焊接变形的相关问题，讨论了大型储罐罐底的焊接变形形成的主要的原因和机理，进而分析了大型储罐罐底的焊接变形的各种影响因素，以期可以提高大型储罐罐底的焊接的效果。
【关键词】 大型储罐；罐底焊接；变形机理；影响
一、前言
在大型储罐罐底的焊接的过程中，容易出现罐底焊接的变形情况，因此，做好相关的焊接研究工作就显得尤为重要，这是提高焊接效果，避免出现焊接变形的重要举措。
二、焊接变形产生机理
生产中常见的焊接变形主要有纵向收缩变形、横向收缩变形、挠曲变形、角变形、波浪变形、错边变形、螺旋变形。这几种变形在焊接结构中往往并不是单独出现，而是同时出现，相互影响。在这里重点对生产中经常出现的波浪变形、角变形进行分析。
焊接变形的产生，从根本上说是因为焊接热过程中温度在构件上的分布极不均匀，造成高温区域冷却后产生收缩量大，低温区域收缩量小，这种不平衡的收缩导致了构件形状的改变。对某一具体的结构件而言，其最终的变形与焊缝的位置及焊缝本身的收缩有关。
1、波浪变形的产生原因有两种，一种是板的对接缝产生上下相间排列的角变形带来的，另一种是由于焊接过程给钢板带来的压应力造成了板的局部失稳屈曲。前者可以用控制角变形的方法来解决，而后者则必须设法降低焊接內应力或改变其分布规律。
2、角变形的产生是由于接头处沿板厚方向温度不均匀分布造成横向收缩不一致引起的。因而角变形的大小取决于钢板接头的刚度和温度不均匀分布的程度，具体说即取决于坡口的形状尺寸和焊接方法。
三、影响焊接变形的主要因素
焊接变形的影响是多方面的，但就机械、环境和人为三个因素相对稳定的情况来讲，影响焊接变形的主要因素有以下三个方面。
1、材料因素的影响。材料性能对于焊接变形是很重要的一个影响因素。一般热传导系数越小的材料，温度梯度越大，焊接变形越显著；随着材料热膨胀系数的增加，焊接变形也相应的增加。同时材料在高温区的屈服极限和弹性模量及其随温度的变化率也起着十分重要的作用。
2、结构因素的影响。焊接结构的设计对焊接变形的影响最为关键。其中包括焊缝分布、焊缝截面积、坡口形式、焊件板的厚度及加强筋板的位置和数量等诸多方面。一般来讲，焊缝在设计时应考虑对称、均部及分散，这样可减小焊件的焊接变形。焊缝截面积越大，冷却时收缩引起的塑性变形量越大，焊缝截面积对纵向、横向及角变形的影响趋势是一致的，而且是主要的影响因素，因此，当焊件厚度相同时，坡口尺寸越大，收缩变形越大。对于焊件板的厚度及加强筋板的位置、数量等进行优化，对减小焊接变形有着十分重要的作用。
3、工艺因素的影响。焊接工艺对焊接变形的影响方面很多。比如焊接方法、焊接热输入量、焊接顺序、构件的定位或固定方式、焊胎及夹具的应用等。首先要选择正确的焊接方法，不同的方法造成热输入量也不同，加热的高温区范围大，冷却速度慢，使接头塑性变形区增大。焊接顺序对焊接变形的影响较为显著。一般情况下，不同的焊接顺序焊后将产生不同的变形量，所以在焊接时应尽量采取以下焊接方法：对称焊接，焊缝不对称时，先焊焊缝少的一侧。
四、罐底板变形的控制
1、制定合理的排版设计方案
（一）罐底板的排版直径按其设计图纸直径放大0.15～0.2%，以补偿焊缝的纵向和横向焊接变形收缩量。
（二）尽量选择大规格钢板。由于焊缝的纵向收缩量与焊缝长度成正比，采用大规格钢板后，罐底板的焊缝长度大量减少，纵向收缩变形也相应地减少，同时减少焊接工作量，降低材料消耗，节约人力和物力，缩短工期，提高效益。
（三）采用带垫板的对接焊缝或者Z形搭接焊缝，相当于钢板在焊接位置增加了加强筋，增强了底板的结构刚度，抵抗失稳变形的能力得到加强，使横向收缩变形与角变形变小，同时避免因为提高刚度而增加罐底板整体厚度而造成施工成本的浪费。
（四）罐底板排版时，长焊缝应沿着罐底中心线排列对称，弓形边缘板以罐底的圆心为中心对称布置，这可以相互抵消大部分焊接变形，也为防止变形工艺措施的有效控制创造有利条件。
2、制定合理的工艺
根据罐底板的变形规律，制定出合理的焊接工艺流程，有效地控制底板变形。以下简要介绍中幅板、边缘板、壁板与边缘板的大角焊缝、中幅板与边缘板的对接缝等焊接工艺措施。
（一）中幅板的焊接工艺措施
（1）中幅板焊接时，先焊短焊缝，后焊长焊缝，在焊接短焊焊缝时，要把这两块钢板与周围的所有固焊点去除再焊；长焊缝焊接时，不要把所有的焊缝全部拼接后再焊，而采用拼一段焊一段完后再拼一段。先焊短焊缝，使中幅板短焊缝在自由状态下进行，由内向外焊接后，使罐底板变成若干可以自由收缩、基本无应力的中幅长条，再将各长条由内向外焊接起来，也属于在无约束的自由收缩状态下成型，这样引起的焊接波浪变形和焊接应力都较小；反之，先焊长缝，再短缝，必然会在焊接短缝时受到已焊的长缝限制，从而使焊接应力和变形变得较大。
（2）中幅板每条焊缝均分2N段，采用分段退焊法或分段跳焊法对称施焊。这种焊接可缩小焊接区与结构整体之间的温差，减少构件受热和冷却不均匀，能有效地消除应力、减少变形。采用分段退焊时，每一段长度约200mm，不宜过长，因每段焊缝是头尾相接，前一段焊缝还没完全冷却下来，后一段焊缝的热量又补充到前一段，给前一段退火的机会，消除应力、提高焊接质量。
（3）中幅板的焊接应由内向外、由中心向四周方向进行，使内部焊缝的纵向和横向变形不受到外部焊缝的约束而降低变形。反之，则变形较大。
（4）每条焊缝由两名焊工同时沿着焊缝中心线对称施焊，整个罐底的长焊缝焊接按底板横向中心线对称布置焊工，同时同速对称施焊，先请4名焊工在1位置上对称施焊，当每名焊工焊约2m长的焊缝后，另外请4名焊工在2位置上进行对称施焊，等在2位置每名焊工焊约2m长的焊缝后，再请另外4名焊工在3位置上进行对称施焊，依此类推。因为先焊的焊接变形大于后焊的焊接变形，若不同时对焊缝进行对称焊接，会引起偏心应力而产生变形，对称的变形就不能最大限度地抵消，同时也不符合由内向外的焊接顺序。 （二）边缘板的焊接工艺措施
（1）边缘板的焊接顺序：先由外向内对外侧300mm长的径向焊缝进行焊接，待底层壁板与边缘板的大角焊缝焊接后再由外向内焊内侧剩下部份。外侧先焊为满足工序需要，以免大角焊缝底下的边缘板对接后而无法进行焊接，内侧部分后焊是给大角焊缝和边缘板的外侧焊缝所引起的变形留一定自由空间，防止内侧板受到约束翘起，产生变形，消除应力。
（2）边缘板采用外侧小（6～8mm）、内侧大（8～12mm）的不等间隙且带垫板的V形对接焊缝。边缘板面积虽小，但焊接量大，是应力和收缩集中的部位，受到大角焊缝和外侧边缘板的焊缝双重应力的作用而引起内侧收缩量比外侧大，因此内侧间隙大。
（3）边缘板的径向焊接采用2N名焊工同时对称由外到内进行隔缝跳焊，第一条焊缝的第一层焊完后跳到第二条焊缝上焊，而不是在一条焊缝上各层焊完后再焊另一条，同一条焊缝采用分段退焊。
（4）采用反变形法拼接边缘板的对接焊缝。在垫板下安装楔铁（图7）的办法，使反变形角控制在5°～8°的范围内，当环境温度高，厚度大，反变形角小，反之，反变形角大。这种方法的目的是补偿焊缝的角向收缩，使焊接后边缘板平整，便于壁板与边缘板的拼装。
（三）壁板与边缘板的大角焊缝的工艺措施
大角焊缝是储罐受力最不利的地方，是储罐最薄弱的环节，为保证强度，采用双面多层角缝，焊缝载面尺寸大，焊接收缩变形量大。为减少变形，应采用如下方法。
（1）大角缝按圆周均分N区，每区均分M段，由N名焊工同时同向对称施焊，各区域内的焊缝采用分段退焊法或分段跳焊法施焊。
（2）先焊内侧环形角焊道，再焊完外侧环形角焊缝，以防止边缘板外侧翘起。
（3）在罐体内部，沿圆周N等分，等分间距1～2m，在等分点上用12#槽钢以与底板成对45°夹角焊在壁板与边缘板之间，使壁板与边缘板成垂直刚性固定，限定底板翘起变形，从而减少大角焊缝的角变形。
（4）反变形用的槽钢待大角焊缝冷却后再拆除，且在拆除前用大锤敲打一圈大角焊缝，以释放收缩应力、消除变形。
（四）中幅板与边缘板的对接缝的工艺措施
（1）底层壁板与罐底边板的角焊縫焊接完工后，再焊边缘板的内侧焊缝，最后焊边板与中幅板的连接缝。底层壁板与边板连接角焊缝的纵向收缩造成罐底周围边长的缩短而引起罐底边缘板径向收缩，该焊缝又是双面角焊缝，焊接截面大，焊缝长，焊接收缩变形大，通常收缩量为5～15mm，为了罐底边缘板自由收缩，中幅板不受限制，须按上述方法施焊，有效地控制了焊接应力及焊接的波浪变形，是底板施工中及其重要的一个环节。
（2）中幅板与边缘板的对接采用带垫板V型对接焊，采用较大的对口间隙，这样利用较大的焊接收缩力来增加边缘板对中幅板的拉伸作用，能有效地平衡中幅板的焊接收缩力，使不利因素转为有利因素。
（3）中幅板与边缘板的对接缝按圆周均分N区，由N名焊工同时同向对称施焊，各区域内的焊缝采用分段退焊法或分段跳焊法施焊。
（4）中幅板与边缘板的对接缝焊接前，应拆除原有的固焊点和壁板与边缘板的刚性支撑，切除多余的中幅板，以便中幅板与边缘板能自由收缩。
五、结束语
总而言之，大型储罐罐底的焊接变形是焊接过程各个环节综合作用的结果，因此，要想很好的控制焊接变形的出现，就要分析大型储罐罐底的焊接变形的机理，进而采取控制措施。
参考文献：
[1]邱涛，杨福良.大型储油罐底板焊接变形的控制[J].安装.2011（07）
[2]臧恒波.不等壁厚锅筒加工过程防变形工艺措施探讨[J].锅炉制造.2011（04）
[3]周江.600t混铁炉箍圈的焊接变形与控制[J].造船技术.2013（09）
【关键词】 大型储罐；罐底焊接；变形机理；影响
一、前言
在大型储罐罐底的焊接的过程中，容易出现罐底焊接的变形情况，因此，做好相关的焊接研究工作就显得尤为重要，这是提高焊接效果，避免出现焊接变形的重要举措。
二、焊接变形产生机理
生产中常见的焊接变形主要有纵向收缩变形、横向收缩变形、挠曲变形、角变形、波浪变形、错边变形、螺旋变形。这几种变形在焊接结构中往往并不是单独出现，而是同时出现，相互影响。在这里重点对生产中经常出现的波浪变形、角变形进行分析。
焊接变形的产生，从根本上说是因为焊接热过程中温度在构件上的分布极不均匀，造成高温区域冷却后产生收缩量大，低温区域收缩量小，这种不平衡的收缩导致了构件形状的改变。对某一具体的结构件而言，其最终的变形与焊缝的位置及焊缝本身的收缩有关。
1、波浪变形的产生原因有两种，一种是板的对接缝产生上下相间排列的角变形带来的，另一种是由于焊接过程给钢板带来的压应力造成了板的局部失稳屈曲。前者可以用控制角变形的方法来解决，而后者则必须设法降低焊接內应力或改变其分布规律。
2、角变形的产生是由于接头处沿板厚方向温度不均匀分布造成横向收缩不一致引起的。因而角变形的大小取决于钢板接头的刚度和温度不均匀分布的程度，具体说即取决于坡口的形状尺寸和焊接方法。
三、影响焊接变形的主要因素
焊接变形的影响是多方面的，但就机械、环境和人为三个因素相对稳定的情况来讲，影响焊接变形的主要因素有以下三个方面。
1、材料因素的影响。材料性能对于焊接变形是很重要的一个影响因素。一般热传导系数越小的材料，温度梯度越大，焊接变形越显著；随着材料热膨胀系数的增加，焊接变形也相应的增加。同时材料在高温区的屈服极限和弹性模量及其随温度的变化率也起着十分重要的作用。
2、结构因素的影响。焊接结构的设计对焊接变形的影响最为关键。其中包括焊缝分布、焊缝截面积、坡口形式、焊件板的厚度及加强筋板的位置和数量等诸多方面。一般来讲，焊缝在设计时应考虑对称、均部及分散，这样可减小焊件的焊接变形。焊缝截面积越大，冷却时收缩引起的塑性变形量越大，焊缝截面积对纵向、横向及角变形的影响趋势是一致的，而且是主要的影响因素，因此，当焊件厚度相同时，坡口尺寸越大，收缩变形越大。对于焊件板的厚度及加强筋板的位置、数量等进行优化，对减小焊接变形有着十分重要的作用。
3、工艺因素的影响。焊接工艺对焊接变形的影响方面很多。比如焊接方法、焊接热输入量、焊接顺序、构件的定位或固定方式、焊胎及夹具的应用等。首先要选择正确的焊接方法，不同的方法造成热输入量也不同，加热的高温区范围大，冷却速度慢，使接头塑性变形区增大。焊接顺序对焊接变形的影响较为显著。一般情况下，不同的焊接顺序焊后将产生不同的变形量，所以在焊接时应尽量采取以下焊接方法：对称焊接，焊缝不对称时，先焊焊缝少的一侧。
四、罐底板变形的控制
1、制定合理的排版设计方案
（一）罐底板的排版直径按其设计图纸直径放大0.15～0.2%，以补偿焊缝的纵向和横向焊接变形收缩量。
（二）尽量选择大规格钢板。由于焊缝的纵向收缩量与焊缝长度成正比，采用大规格钢板后，罐底板的焊缝长度大量减少，纵向收缩变形也相应地减少，同时减少焊接工作量，降低材料消耗，节约人力和物力，缩短工期，提高效益。
（三）采用带垫板的对接焊缝或者Z形搭接焊缝，相当于钢板在焊接位置增加了加强筋，增强了底板的结构刚度，抵抗失稳变形的能力得到加强，使横向收缩变形与角变形变小，同时避免因为提高刚度而增加罐底板整体厚度而造成施工成本的浪费。
（四）罐底板排版时，长焊缝应沿着罐底中心线排列对称，弓形边缘板以罐底的圆心为中心对称布置，这可以相互抵消大部分焊接变形，也为防止变形工艺措施的有效控制创造有利条件。
2、制定合理的工艺
根据罐底板的变形规律，制定出合理的焊接工艺流程，有效地控制底板变形。以下简要介绍中幅板、边缘板、壁板与边缘板的大角焊缝、中幅板与边缘板的对接缝等焊接工艺措施。
（一）中幅板的焊接工艺措施
（1）中幅板焊接时，先焊短焊缝，后焊长焊缝，在焊接短焊焊缝时，要把这两块钢板与周围的所有固焊点去除再焊；长焊缝焊接时，不要把所有的焊缝全部拼接后再焊，而采用拼一段焊一段完后再拼一段。先焊短焊缝，使中幅板短焊缝在自由状态下进行，由内向外焊接后，使罐底板变成若干可以自由收缩、基本无应力的中幅长条，再将各长条由内向外焊接起来，也属于在无约束的自由收缩状态下成型，这样引起的焊接波浪变形和焊接应力都较小；反之，先焊长缝，再短缝，必然会在焊接短缝时受到已焊的长缝限制，从而使焊接应力和变形变得较大。
（2）中幅板每条焊缝均分2N段，采用分段退焊法或分段跳焊法对称施焊。这种焊接可缩小焊接区与结构整体之间的温差，减少构件受热和冷却不均匀，能有效地消除应力、减少变形。采用分段退焊时，每一段长度约200mm，不宜过长，因每段焊缝是头尾相接，前一段焊缝还没完全冷却下来，后一段焊缝的热量又补充到前一段，给前一段退火的机会，消除应力、提高焊接质量。
（3）中幅板的焊接应由内向外、由中心向四周方向进行，使内部焊缝的纵向和横向变形不受到外部焊缝的约束而降低变形。反之，则变形较大。
（4）每条焊缝由两名焊工同时沿着焊缝中心线对称施焊，整个罐底的长焊缝焊接按底板横向中心线对称布置焊工，同时同速对称施焊，先请4名焊工在1位置上对称施焊，当每名焊工焊约2m长的焊缝后，另外请4名焊工在2位置上进行对称施焊，等在2位置每名焊工焊约2m长的焊缝后，再请另外4名焊工在3位置上进行对称施焊，依此类推。因为先焊的焊接变形大于后焊的焊接变形，若不同时对焊缝进行对称焊接，会引起偏心应力而产生变形，对称的变形就不能最大限度地抵消，同时也不符合由内向外的焊接顺序。 （二）边缘板的焊接工艺措施
（1）边缘板的焊接顺序：先由外向内对外侧300mm长的径向焊缝进行焊接，待底层壁板与边缘板的大角焊缝焊接后再由外向内焊内侧剩下部份。外侧先焊为满足工序需要，以免大角焊缝底下的边缘板对接后而无法进行焊接，内侧部分后焊是给大角焊缝和边缘板的外侧焊缝所引起的变形留一定自由空间，防止内侧板受到约束翘起，产生变形，消除应力。
（2）边缘板采用外侧小（6～8mm）、内侧大（8～12mm）的不等间隙且带垫板的V形对接焊缝。边缘板面积虽小，但焊接量大，是应力和收缩集中的部位，受到大角焊缝和外侧边缘板的焊缝双重应力的作用而引起内侧收缩量比外侧大，因此内侧间隙大。
（3）边缘板的径向焊接采用2N名焊工同时对称由外到内进行隔缝跳焊，第一条焊缝的第一层焊完后跳到第二条焊缝上焊，而不是在一条焊缝上各层焊完后再焊另一条，同一条焊缝采用分段退焊。
（4）采用反变形法拼接边缘板的对接焊缝。在垫板下安装楔铁（图7）的办法，使反变形角控制在5°～8°的范围内，当环境温度高，厚度大，反变形角小，反之，反变形角大。这种方法的目的是补偿焊缝的角向收缩，使焊接后边缘板平整，便于壁板与边缘板的拼装。
（三）壁板与边缘板的大角焊缝的工艺措施
大角焊缝是储罐受力最不利的地方，是储罐最薄弱的环节，为保证强度，采用双面多层角缝，焊缝载面尺寸大，焊接收缩变形量大。为减少变形，应采用如下方法。
（1）大角缝按圆周均分N区，每区均分M段，由N名焊工同时同向对称施焊，各区域内的焊缝采用分段退焊法或分段跳焊法施焊。
（2）先焊内侧环形角焊道，再焊完外侧环形角焊缝，以防止边缘板外侧翘起。
（3）在罐体内部，沿圆周N等分，等分间距1～2m，在等分点上用12#槽钢以与底板成对45°夹角焊在壁板与边缘板之间，使壁板与边缘板成垂直刚性固定，限定底板翘起变形，从而减少大角焊缝的角变形。
（4）反变形用的槽钢待大角焊缝冷却后再拆除，且在拆除前用大锤敲打一圈大角焊缝，以释放收缩应力、消除变形。
（四）中幅板与边缘板的对接缝的工艺措施
（1）底层壁板与罐底边板的角焊縫焊接完工后，再焊边缘板的内侧焊缝，最后焊边板与中幅板的连接缝。底层壁板与边板连接角焊缝的纵向收缩造成罐底周围边长的缩短而引起罐底边缘板径向收缩，该焊缝又是双面角焊缝，焊接截面大，焊缝长，焊接收缩变形大，通常收缩量为5～15mm，为了罐底边缘板自由收缩，中幅板不受限制，须按上述方法施焊，有效地控制了焊接应力及焊接的波浪变形，是底板施工中及其重要的一个环节。
（2）中幅板与边缘板的对接采用带垫板V型对接焊，采用较大的对口间隙，这样利用较大的焊接收缩力来增加边缘板对中幅板的拉伸作用，能有效地平衡中幅板的焊接收缩力，使不利因素转为有利因素。
（3）中幅板与边缘板的对接缝按圆周均分N区，由N名焊工同时同向对称施焊，各区域内的焊缝采用分段退焊法或分段跳焊法施焊。
（4）中幅板与边缘板的对接缝焊接前，应拆除原有的固焊点和壁板与边缘板的刚性支撑，切除多余的中幅板，以便中幅板与边缘板能自由收缩。
五、结束语
总而言之，大型储罐罐底的焊接变形是焊接过程各个环节综合作用的结果，因此，要想很好的控制焊接变形的出现，就要分析大型储罐罐底的焊接变形的机理，进而采取控制措施。
参考文献：
[1]邱涛，杨福良.大型储油罐底板焊接变形的控制[J].安装.2011（07）
[2]臧恒波.不等壁厚锅筒加工过程防变形工艺措施探讨[J].锅炉制造.2011（04）
[3]周江.600t混铁炉箍圈的焊接变形与控制[J].造船技术.2013（09）