服務熱線：雙芯可調(diào)縮孔焊接殘余應力及焊接變形
2018年09月29日
滄州五森管道有限公司
1、雙芯可調(diào)縮孔焊接殘余應力及焊接變形的產(chǎn)生
被熔化的焊縫金屬，在冷卻過程中將會收縮。 雙芯可調(diào)縮孔的焊縫來說，焊縫金屬的收縮可能以三種型式出現(xiàn)：其一是橫向(即沿管道長度方向)收縮，它使管道的結構長度趨于變短，使熔合線金屬處于拉應力狀態(tài);其二是縱向(即徑向)收縮，它使焊縫金屬與母材處于受剪應力的狀態(tài);其三是角向收縮。當焊縫坡口尺寸上下不一致時，焊縫金屬上下的收縮量也不同，從而使焊縫金屬承受一個彎曲應力。這些應力的存在都使得壓力管道的結構形狀趨于發(fā)生變化，如果壓力管道受結構的限制而不能發(fā)生形狀或尺寸的變化，那么這些應力便以殘余應力的形式存在于焊縫金屬中，通常稱之為焊接殘余應力。由此可見，焊縫的殘余應力與焊件的變形是互為影響的，其產(chǎn)生的原因都是由于焊縫的不均勻收縮或收縮受阻引起的。
雙芯可調(diào)縮孔的焊縫來說，其橫向收縮產(chǎn)生的應力有時是可以避免的，如預制過程中的焊接接頭即如此。有些是不可避免的，如已裝配和固定好的一條管道的 一道焊縫即如此;其縱向收縮產(chǎn)生的應力是不可避免的，尤其是當焊縫金屬與母材金屬的熱脹系數(shù)差別較大時，產(chǎn)生的應力會很大;其角向收縮產(chǎn)生的應力可以通過改變坡口形狀來緩解，尤其是當管子及管件的壁厚較厚時，通過采用X型或U型坡口，可以緩解較大的角向收縮產(chǎn)生的應力。
從微觀上來講，雙芯可調(diào)縮孔焊接殘余應力由以下三部分組成：
a、熱應力
這是由于焊縫本身各部分收縮量不同或者是由于加熱不均勻(局部加熱)而產(chǎn)生的應力。前者如焊縫的角向收縮、縱向收縮而產(chǎn)生的應力;后者如由于焊接是移動的，沿焊縫方向的金屬先后加熱和冷卻而造成的應力。它們都是由于雙芯可調(diào)縮孔焊縫金屬各部分的不均勻收縮而產(chǎn)生的，故稱為熱應力。
b、結晶應力
結晶應力是熔池金屬自液態(tài)向固態(tài)轉變時，體積收縮受阻引起的應力。如前面所提到的橫向整體收縮受阻引起的應力 是結晶應力。在一般的情況下，當熔池金屬結晶時，其周圍的固態(tài)母材金屬還處于高溫狀態(tài)，此時其塑性較好，可以通過它的塑性變形來補償熔池金屬的收縮，因此不會在母材中引起裂紋。如果母材金屬塑性較差(如鑄鐵、銅等)，或者雙芯可調(diào)縮孔母材有嚴重的偏析，在較大的結晶應力作用下 會引起裂紋。在焊件剛性比較大的情況下也容易引起裂紋。
c、組織應力
組織應力是固態(tài)金屬發(fā)生相變時，體積改變受阻而引起的應力。例如，馬氏體的比容比較大，由奧氏體轉變成馬氏體時，其體積要膨脹。而馬氏體的轉變溫度較低(一般在200℃左右)，此時雙芯可調(diào)縮孔材料的塑性很低，很難通過塑性變形對其體積膨脹進行補償，因此將產(chǎn)生較大的組織應力。對于淬硬性較強的金屬材料，如果焊后冷卻速度較快，很容易出現(xiàn)這樣的組織應力。由于馬氏體組織性能較脆，在組織應力作用下會引起冷裂紋。
2、雙芯可調(diào)縮孔焊接殘余應力對焊接接頭的影響
焊接殘余應力的存在會對焊件帶來一系列不良影響。前面已經(jīng)提到，它會使焊件發(fā)生變形。因此對于焊后需要進行機加工的管道元件，或者對焊接變形比較敏感的管道元件，均應在機加工前或裝配前進行熱處理，或者從結構上采取措施。例如，對于DN≤40的焊接連接合金鋼閥門，由于其結構尺寸較小，雙芯可調(diào)縮孔焊接變形和焊后熱處理會影響到其閥座的密封性，故一般要在它的兩端各加裝150mm長的短管，該短管在制造廠焊好，這樣 使得現(xiàn)場的焊縫離閥門較遠，從而不致于因焊接或熱處理變形而影響到閥門的密封性;焊接殘余應力的存在還影響到焊接接頭金屬的 性能，因為金屬在應力的作用下處于不穩(wěn)定的狀態(tài)，甚至處于晶格畸變的高能狀態(tài)，此時 容易遭受腐蝕， 別是應力腐蝕。事實上也證明，大多數(shù)應力腐蝕的開裂都是由焊接殘余應力或加工殘余應力引起的。因此，對于有應力腐蝕破壞潛在危險的壓力管道，應進行焊后熱處理;對于淬硬性較強的高強度管道元件，或者是大壁厚元件，因前者會產(chǎn)生較大的組織應力，后者會產(chǎn)生較大的熱應力(因參于凝固結晶的金屬較多)，容易導致冷裂紋或熱裂紋的產(chǎn)生，故雙芯可調(diào)縮孔也應進行焊后熱處理。
3、雙芯可調(diào)縮孔焊接殘余應力的消除
前面已多次提到，進行焊后熱處理是消除或緩解焊接殘余應力影響的 途徑。根據(jù)熱處理進行的方式不同，可以分為兩種：其一是采用整體高溫回火熱處理，即將整個焊件(包括焊縫和母材)置于加熱爐中進行焊接殘余應力的消除。這種方法僅適用于焊件結構尺寸較小的情況，在雙芯可調(diào)縮孔中則常用于管道元件在制造過程中的焊接和焊補修理熱處理;其二是采用局部高溫回火熱處理，即僅對焊縫及其附近的母材金屬加熱到600℃~650℃左右進行熱處理。它是施工現(xiàn)場應用 多的熱處理，因為此時進行整體熱處理是不現(xiàn)實的。
無論是采用雙芯可調(diào)縮孔整體熱處理還是局部熱處理，都不能將焊接殘余應力全部消除，因為焊后熱處理不能改變熱應力的大小，而僅對消除組織應力 有效，但它對熱應力和結晶應力能起到平衡緩解的作用，即通過金屬的再結晶使應力重新分布，降低其峰值。一般情況下，焊后熱處理可以消除60%~80%的焊接殘余應力。除此之外，采用合理的施焊順序，采用較小的焊接電流和較大的焊接速度，雙芯可調(diào)縮孔采用焊前預熱等措施都有助于減少焊接殘余應力。
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