用于防止焊接变形的装置及用于使用该装置来焊接管道和凸缘的方法与流程

1.本公开涉及用于防止焊接变形的装置以及用于使用该装置焊接管道和凸缘的方法，该装置能够有效减少凸缘在与管道进行焊接期间发生的焊接变形。


背景技术：

2.例如，由于风力发电机的塔架对位于塔架的上部部分中的重型涡轮机和叶片进行支承，因此应当确保结构稳定性。为此，塔架具有直径朝向该塔架的上部部分减小的结构。随着容量的增加，塔架逐渐变得更厚和更大。
3.这种塔架可以通过下述方式来安装：制造分成预定高度的管状分割部分，然后将这些管状分割部分运输至现场，并且通过螺栓连接进行组装。因此，每个分割部分都具有凸缘焊接至管道的结构。
4.在焊接期间，在凸缘中，根据焊接期间的过度变形和由焊接引起的收缩特性，该凸缘向内或向外发生焊接变形。比管道厚得多的较厚的凸缘可能不会有很大的变形，但是可能会发生轻微的焊接变形。
5.如果凸缘中发生焊接变形，则难以校正，并且可以通过切割来确保超过标准值的变形。然而，切割需要用于移动重物的重型设备，并且切割还需要大型切割工具。另外，为了确保凸缘的尺寸，应用了考虑超过结构强度的加工余量的厚度。
6.这种通过切割进行的校正降低了生产率、增加了制造周期和成本，并且成为了降低凸缘性能的一个因素。


技术实现要素：

7.技术问题
8.本公开的一方面提供了一种防止焊接变形的装置以及一种用于使用该装置来焊接管道和凸缘的方法，该装置能够有效地减少凸缘在与管道进行焊接期间发生的焊接变形。
9.问题的解决方案
10.根据本公开的一方面，用于防止焊接变形的装置可以包括：至少一个配重，该配重设置成与待焊接至管道的凸缘的一个侧部接触，并且在该配重中具有中空部分；以及紧固件，该紧固件将配重固定至凸缘，其中，配重的中空部分可以容纳制冷剂。
11.根据本公开的一方面，用于焊接管道和凸缘的方法可以包括下述操作：将根据权利要求1至5中的任一项所述的用于防止焊接变形的装置的配重固定至凸缘的一个侧部；以及在凸缘的另一侧部上，将凸缘焊接至管道。
12.发明的有利效果
13.根据本公开，通过减小在焊接操作中焊接厚凸缘和相对薄的管道期间产生的凸缘的焊接变形，可以提高生产率并减少制造周期和成本。
附图说明
14.图1是图示了根据本公开的实施方式的用于防止焊接变形的装置的前视图。
15.图2是图1中所图示的配重的立体图，并且可以看到支承件的布置关系。
16.图3是示意性地图示了根据本公开的实施方式的用于焊接管道和凸缘的方法的流程图。
17.图4是图示了根据本公开的实施方式的用于在焊接管道和凸缘的方法中减少焊接变形的改进形状的示意图。
18.图5是对根据现有技术的用于焊接管道和凸缘的方法的焊接变形与根据本公开的用于焊接管道和凸缘的方法的焊接变形进行对比的分析结果的图。
具体实施方式
19.在下文中，通过示例性附图对本公开进行详细说明。在给每个附图的部件附加附图标记时，应当注意的是，相同的部件尽可能具有相同的附图标记，即使它们显示在不同的附图中。
20.图1是示出根据本公开的实施方式的用于防止焊接变形的装置的横截面图，并且图2是图1中所图示的配重的立体图，并且可以看到支承件的布置关系。
21.根据本公开的实施方式的用于防止焊接变形的装置可以包括配重10和紧固件20。
22.配重10是具有预定厚度的大致板状的构件。配重可以具有与待焊接至管道1的凸缘2的形状相同的形状、即甜甜圈形的横截面，但是其实施方式不一定限制于此。
23.例如，配重10不仅可以形成为甜甜圈形状，而且还可以形成为圆形形状、椭圆形形状或任意多边形形状。
24.配重10的重量应当足够大以抵抗由凸缘2与管道1之间的焊接部分3的收缩而产生的力。
25.另外，配重10可以具有能够将制冷剂容纳在其中的中空部分11。为了注入或排出制冷剂，在配重中可以形成有将中空部分和外侧部连通的流动路径，并且在流动路径的一侧可以安装有旋塞或阀(未示出)。
26.制冷剂可以简单地通过流动路径12容纳并储存在中空部分11中，或者当设置有多个通道时，制冷剂可以在配重10的外部被冷却之后通过中空部分10的内部进行循环。
27.配重10可以由可以传递凸缘2的热的材料形成。为此，配重至少可以由与待焊接的凸缘相同的材料形成，但是其实施方式不一定限制于此。
28.例如，配重10可以由导热性比凸缘的材料的导热性高的材料形成，使得在凸缘2焊接至管道1时产生的热可以平稳地传递。
29.容纳在配重10的中空部分11中的制冷剂可以对从凸缘2传导的热进行冷却。例如，可以采用液体制冷剂、比如水，但是任何其他的冷却气体都可以用作制冷剂。
30.容纳在配重10的中空部分11中的制冷剂的量可以被确定为使得制冷剂的温度不会由于所传递的热量而升高得比热量输入之前的温度高50℃或更多，所传递的热量通过将焊接期间的总热量输入的两倍设置为最小值。
31.因此，凸缘2与管道1之间在焊接期间产生的热朝向凸缘传导，然后朝向设置成与凸缘接触的配重10传导，并且同时焊接所产生的热被配重中的制冷剂迅速冷却。
32.同时，尽管图1中图示了其中设置一个配重10的示例，但是其实施方式不限于此。例如，在堆叠有多个配重并且凸缘2设置在最上部的配重上之后，所述多个配重和凸缘全都可以通过紧固件20一体地联接。
33.另外，图1和图2图示了其中凸缘2从管道1径向向内突出的示例，但是其实施方式不限于此，例如，凸缘从管道径向向外突出，并且因此配重10可以构造成具有适当的外径或宽度。
34.紧固件20是用于将配重10固定至待焊接至管道1的凸缘2的装置，并且可以包括例如螺栓21、螺母22、垫圈等。
35.然而，紧固件的形状并不一定限制于此，而是当然可以采用任何其它的机械紧固装置，只要配重可以牢固地紧固至凸缘的凸缘表面即可。
36.在配重10中可以形成有用于安装紧固件20的多个通孔13。这些通孔可以设置成不会干扰配重的中空部分11。
37.可选地，在配重10与凸缘2之间还可以包括有支承件30，以在考虑由于凸缘的焊接而产生的收缩变形的情况下预先在与收缩方向相反的方向上施加变形。
38.支承件30是形成为具有带有大致矩形横截面的弧形形状的构件，并且支承件30的材料不受特别限制，但是在考虑到重复使用的耐用性的情况下可以由例如金属、比如钢等形成。
39.如图2中所图示的，多个支承件30可以围绕配重10的通孔13沿周向方向设置在配重的周向前端部中。当配重10和凸缘2在以这种方式设置之后通过紧固件20被紧固时，支承件可能会向凸缘2赋予变形。
40.在这种情况下，配重10的厚度可以比凸缘2厚度大至少1.2倍。因此，可以防止配重10在通过用紧固件20进行紧固而预先使凸缘变形时变得相当扭曲。
41.如果凸缘2通过施加张力(通过紧固件施加的张力)而预先变形约1mm并且然后进行焊接，则即使凸缘在焊接后被冷却并收缩，也可以高精度地减小凸缘的变形。
42.由于凸缘2的厚度较厚，因此变形量不大，但是如果在施加轻微变形和张力(由紧固件施加的张力)的状态下进行焊接，则在热量输入过程期间由于收缩而引起的焊接变形可以被抵消。
43.另外，当在凸缘2与管道1之间沿周向方向上进行焊接时，凸缘可以沿轴向方向(沿与管道的轴向方向相同的方向)以不同的方式变形，并且当使用支承件30时，可以获得在凸缘的整个周向方向上呈现恒定变形行为的优点。
44.附带地，支承件30由于其材料的导热性还具有进一步改善配重10与凸缘2之间的热传导的优点。
45.在本说明书和附图中，支承件30被图示并描述为具有分开的弧形形状，但是其实施方式不一定限制于此，并且支承件可以形成为例如连续的环形形状。
46.在下文中，将对使用如上面所描述的那样构造的用于防止焊接变形的装置来焊接管道和凸缘的方法进行描述。
47.图3是示意性地图示了根据本公开的实施方式的用于焊接管道和凸缘的方法的流程图。
48.为了减少厚凸缘2在焊接期间的焊接变形，将用于防止焊接变形的装置安装在凸
缘上。更具体地，在焊接之前，将用于限制凸缘表面的配重10安装在凸缘的凸缘表面上。
49.例如，将至少一个配重10放在支承夹具40上，将待焊接的凸缘2放在所述至少一个配重10上，并且然后通过紧固件20将凸缘和配重紧固并固定。
50.当紧固件20包括例如螺栓21、螺母22等时，可以将螺栓插入成穿透凸缘2的螺栓孔和配重10的通孔13，并且可以将螺母紧固至螺栓的端部部分。
51.可选地，可以将支承件30插置在配重10与凸缘2之间，该支承件30预先沿与收缩方向相反的方向向凸缘赋予变形。
52.因此，凸缘2与配重10之间可以牢固地固定，并且配重可以在稍后执行的凸缘2与管道1之间的焊接期间对凸缘的变形进行限制。因此，由焊接部分3的收缩产生的力出现在比凸缘薄的管道的侧部。
53.当焊接管道1和厚凸缘2时，通常对焊接部分3采用x型改进。然而，x型改进由于较大的焊接量而导致发生焊接变形的可能性较高，并且需要减少焊接量以减少焊接变形量。
54.在根据本公开的实施方式的用于焊接管道和凸缘的方法中，可以通过对凸缘2与管道1之间的焊接部分3采用y型改进来减小焊接变形量，使得发生较少的焊接变形。
55.图4是图示了根据本公开的实施方式的用于在焊接管道和凸缘的方法中减少焊接变形的改进形状的示意图。
56.如4图中所图示的，平滑部分31可以用高热量输入焊接被穿透，并且然后倾斜部分32用低热量输入焊接被穿透，其中，平滑部分31位于厚凸缘2与管道1之间的改进形状的中央部分中。
57.凸缘2与管道1之间的焊接可以是例如电弧焊接、电阻焊接等。
58.例如，当施加电阻焊接时，改进形状中的中央部分的平滑部分31可以用直流(dc)焊接机器深度穿透，并且倾斜部分32可以用交流(ac)焊接机器进行焊接。
59.如上所述，在焊接部分3中，中央部分的高热量输入焊接部段——即平滑部分31——为横截面的中轴线部分，并且不会由于收缩而明显发生焊接变形。建议的是平滑部分的径向长度(d)不超过30mm。
60.当在厚凸缘2受到用于防止焊接变形的装置的配重10的约束的状态下进行焊接时，由于焊接部分3的收缩和膨胀导致的焊接变形容易发生在比凸缘薄的管道1的侧部上。
61.由于与凸缘在刚度方面的差异，比凸缘2薄的管道1首先变形，并且由于变形程度不大，因此存留有大量的力应力。
62.在根据本公开的实施方式的用于焊接管道和凸缘的方法中，残余应力和残余变形可以通过热处理来校正。
63.在焊接完成之后，为了对管道1中产生的焊接变形进行校正，将管道3的焊接部分的周缘部分沿周向方向均匀地加热，由此减少焊接期间产生的变形和张力。
64.热处理可以在管道的与凸缘2相反的侧部与焊接部分3间隔开约10mm的一部分上进行。此外，热处理在管道1的表面上的最大温度为500℃，并且管道的加热优选地控制为不超过500℃。
65.通过热处理进行的校正可以通过使用各种加热器、比如气体燃烧器、电加热丝、陶瓷加热垫等来实现。
66.在根据本公开的实施方式的用于焊接管道和凸缘的方法中，在凸缘2受到用于防
止焊接变形的装置的配重10的限制的状态下，通过使加热器沿周向方向不断地旋转和加热来使管道1的表面均匀地膨胀和收缩，在管道的侧部上产生的平面外的变形可以在周向方向上不断地被校正，并且在缓慢冷却至室温时张力可以被释放。
67.当通过热处理进行的校正完成时并且冷却至室温完成时，将包括配重10的用于防止焊接变形的装置与凸缘2分离。
68.图5是将对根据现有技术的用于焊接管道和凸缘的方法的焊接变形与根据本公开的用于焊接管道和凸缘的方法的焊接变形进行对比的分析结果的图。
69.图5通过数值分析对下述方面进行了说明：根据现有技术的在没有约束的情况下焊接的凸缘的焊接变形(a)；以及根据本公开的在使用配重进行约束的情况下焊接的凸缘的减少变形的效果(b)。
70.换言之，在图5的(a)中，焊接变形发生在凸缘2中，并且在图5的(b)中，可以清楚地看到，焊接变形主要发生在管道1中，而不是凸缘中。
71.如上所述，根据本公开，通过改变凸缘的约束和改进凸缘的形状，可以在焊接操作中减少在焊接厚凸缘和相对较薄的管道时产生的凸缘的焊接变形，并且可以通过热处理来对管道中产生的焊接变形进行校正，由此提高生产率并减少制造周期和成本。
72.尽管上面已经示出并描述了示例实施方式，但是对于本领域技术人员而言将明显的是，可以在不脱离如所附权利要求限定的本公开的范围的情况下进行修改和变型。
73.例如，在本说明书和附图中，图示并描述了其中凸缘和管道在配重、凸缘和管道设置成处于竖向状态时进行焊接的示例，但是其实施方式不一定限制于此，并且凸缘和管道可以在配重、凸缘和管道设置成处于水平状态时进行焊接。
74.因此，本说明书中公开的实施方式和附图不旨在限制本发明的技术精神，而在于解释本发明的技术精神，并且本发明的技术精神的范围不受这些实施方式的限制。本发明的保护范围应当根据下面的权利要求解释，并且等同范围内的所有技术构思应当被解释为包括在本发明的范围内。
75.附图标记的描述
76.1：管道
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2：凸缘
77.3：焊接部分
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10：配重
78.11：中空部分
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12：流动路径
79.13：通孔
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20：紧固件
80.21：螺栓
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22：螺母
81.30：支承件
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40：夹具
82.31：平滑部分
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32：倾斜部分

技术特征：
1.一种用于防止焊接变形的装置，包括：至少一个配重，所述至少一个配重设置成与待焊接至管道的凸缘的一个侧部接触，并且所述至少一个配重在其中具有中空部分；以及紧固件，所述紧固件将所述配重固定至所述凸缘，其中，所述配重的所述中空部分容纳制冷剂。2.根据权利要求1所述的用于防止焊接变形的装置，其中，在所述配重中形成有将所述中空部分和外部部分连通的流动路径，以便注入或排放所述制冷剂。3.根据权利要求1所述的用于防止焊接变形的装置，其中，所述配重由与所述凸缘相同的材料、或者由导热性比所述凸缘的材料的导热性高的材料形成。4.根据权利要求1所述的用于防止焊接变形的装置，其中，所述配重中形成有用于安装所述紧固件的多个通孔。5.根据权利要求1所述的用于防止焊接变形的装置，还包括：支承件，所述支承件插置在所述配重与所述凸缘之间，以在由所述紧固件紧固时向所述凸缘赋予变形。6.一种用于焊接管道和凸缘的方法，包括下述操作：将根据权利要求1至5中的任一项所述的用于防止焊接变形的装置的配重固定至凸缘的一个侧部；以及在所述凸缘的另一侧部上，将所述凸缘固定至管道。7.根据权利要求6所述的用于焊接管道和凸缘的方法，还包括：在固定操作中通过将支承件插置在所述配重与所述凸缘之间来向所述凸缘赋予变形的操作。8.根据权利要求6所述的用于焊接管道和凸缘的方法，其中，当焊接所述凸缘和所述管道时，采用y型改进。9.根据权利要求8所述的用于焊接管道和凸缘的方法，其中，在所述y型改进中，与其倾斜部分相比，在中央部分的平滑部分上进行高热量输入焊接。10.根据权利要求9所述的用于焊接管道和凸缘的方法，其中，所述平滑部分的径向长度不超过30mm。11.根据权利要求6所述的用于焊接管道和凸缘的方法，还包括：在焊接操作完成之后对所述管道进行热处理以校正在所述管道中产生的焊接变形的操作。12.根据权利要求11所述的用于焊接管道和凸缘的方法，其中，进行热处理的操作对所述管道在焊接部分中在与所述凸缘相反的一侧进行，并且加热被控制成使得所述管道的表面上的最大温度不超过500℃。13.根据权利要求11所述的用于焊接管道和凸缘的方法，还包括下述操作：当完成所执行的热处理操作之后，使所述管道冷却；以及将所述用于防止焊接变形的装置与所述凸缘分离。

技术总结
本发明涉及一种用于防止焊接变形的装置以及一种用于使用该装置来焊接管道和凸缘的方法，该装置能够有效地减少凸缘在与管道进行焊接期间发生的焊接变形，并且能够提高经济效益和生产率。用于防止焊接变形的装置包括：至少一个配重，其布置成与待焊接至管道的凸缘的一个侧部接触，并且至少一个配重在其中具有中空部分；以及紧固工具，该紧固工具将配重固定至凸缘，其中，配重的中空部分可以容纳制冷剂。配重的中空部分可以容纳制冷剂。配重的中空部分可以容纳制冷剂。


技术研发人员：李在翼 韩奎太
受保护的技术使用者：浦项股份有限公司
技术研发日：2021.10.28
技术公布日：2023/8/1