管板与壳体连接焊接接头失效的结构因素分析

      通过对焊接接头性能影响因素的分析和实验，调整相应的结构参数和焊接工艺参数，防止焊接接头缺陷的产生，提高接头机械性能，从而提高产品的使用寿命，减少损失，节约了材料。

      热交换器产品中的固定式不带法兰的管板与壳体的连接焊接接头是产品上的主要焊接接头，制造过程中焊接接头内部组织的缺陷，如夹渣、气孔、未熔合、未焊透、裂纹以及组织粗大等，将影响焊接接头的机械性能，也影响产品使用的可靠性，给使用单位带来不必要的经济损失，是个不可忽视的问题。通过对焊接接头性能影响因素的分析和实验，调整相应的结构参数和焊接工艺参数，防止焊接接头缺陷的产生，提高接头机械性能，从而提高产品的使用寿命，减少损失，节约了材料。
1 问题的提出
在产品生产过程中，焊接结构参数、焊接工艺参数、焊接前的准备和操作方法等因素都会影响焊接接头的质量，在焊接时就要通过控制相关技术参数来控制焊接接头内部质量，尽可能提高焊接接头的机械性能。在诸多技术因素中以结构参数和焊接工艺参数对焊接接头质量影响最大，为此，坡口尺寸变化对焊接接头质量的影响及焊接工艺参数对焊接接头质量的影响是本课题的主要内容。
通过研究不同尺寸的坡口用相同焊接工艺参数下焊成的接头在焊接接头组织、机械性能、焊接应力分布的变化；比较对焊接接头质量影响最小的结构尺寸，选出最优技术参数。
2 坡口尺寸的确定
产品的设计坡口尺寸如图1所示，其中，管板车边尺寸为0.25δ,与壳体组对后坡口间隙为0.4δ1，具体根据不同的板厚在国家标准中有明确的规定。
本课题根据中生产单位的实际情况，δ和δ1的取值如表1。根据表中的数据，按《钢制压力容器》标准的有关规定，可以分别计算出管板车边尺寸和坡口间隙尺寸，也列于表1中。
在本次试验中，为了减少工作量，试件的坡口组对成大小端，最大值取6mm，最小值取1mm。虽然该值与国家标准的要求有出入，但符合焊接工艺中保证焊接接头质量的有关要求，对试验结果的正确性影响不明显。
3 模拟试验与检测
为保证结构参数对焊接接头的组织、应力和机械性能等方面影响的试验结果准确，在焊接过程中，要求焊接工艺参数保持不变。
本试验的试件结构与产品实际使用的结构相近。对焊接接头的检测主要包括焊接接头热影响区应力值、机械性能测试和热影响区组织分析。
3.1应力测试
应力测试时采用了应力释放法。
通过焊接接头区或焊接热影响区某点处的应变量测试，计算出该点的应力值。用此法检测比较简单，所需测试设备简便。虽然数据不够准确，但同一试件测试的数据有对比性，对本课题来说完全符合要求。
测试时，为使焊接热影响区的应力相对准确且有对比性，试验时选焊接接头焊趾两侧5mm处平行于焊接接头中心线的直线上作为测试焊接应力的位置，并以5mm的间距为一测试点，两侧两端各测6点。
3.2机械性能测试
应力测试后的试件用机械加工的方法加工成拉伸试样，测试其机械性能。

4 数据分析
4.1测试点应力与焊接接头距离的关系
以上数据表明，离焊接接头不同的距离的各点间的应力是不同的。离熔合线越近，应力值越大；离熔合线越远，应力值越小。表明高温区更易产生较高的应力。
4.2坡口间距对应力的影响
坡口间距对应的影响也较为明显，从表中可以看出，坡口间距越大，应力值也有明显的增大，最大间隙处应力值（为最小间隙处应力值的3.5倍左右）。从理论上分析，坡口越大，需填充的金属越多，焊接时热作用时间越长，温度也越高，因而产生更大的应力。
4.3坡口间距对机械性能的影响
可以看出，坡口间距对机械性能的影响较小，但坡口间距对缺陷有较大的影响。两个试样都做了宏观金相检查，坡口间距越小，未焊透缺陷倾向增加。所以，坡口间距间接地影响了焊接接头的强度，降低疲劳强度。
5 金相分析
在相应的最大坡口端和最小坡口端，分别取试样进行金相分析，对比母材金相，组织变化差异很小。可见，因所用材料为普通碳素结构钢（管板和筒体材料都选用了Q235-B），这类材料的组织在加热时，长大倾向并不明显。可以认为，坡口间距对焊接接头及热影响区金属组织的影响是不大的。或者说，因焊接接头及热影响区金属组织所引起的焊接接头失效现象的因素要比焊接缺陷和应力变化所产生的影响小得多。
6 结论
通过以上分析，造成管板与壳体连接焊接接头失效的重要因素中，坡口尺寸大小是其中之一。因为坡口尺寸大小对焊接接头内部缺陷的产生及热影响区的焊接残余应力大小有着重大的影响，坡口越大，焊接缺陷产生的可能性增加，焊接残余应力增加。在焊接实践中，可以通过选择合适的坡口尺寸，配以合理的焊接工艺参数，尽可能降低焊接接头及热影响区的焊接残余应力，则可以减少此类失效现象的发生，从而减小生产中的经济损失。

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