服務熱線：雙芯可調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、雙芯可調縮孔焊接殘余應力及焊接變形的產生
被熔化的焊縫金屬，在冷卻過程中將會收縮。 雙芯可調縮孔的焊縫來說，焊縫金屬的收縮可能以三種型式出現：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;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;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生變化，如果壓力管道受結構的限制而不能發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。
雙芯可調縮孔的焊縫來說，其橫向收縮產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差別較大時，產生的應力會很大;其角向收縮產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生的應力。
從微觀上來講，雙芯可調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)而產生的應力。前者如焊縫的角向收縮、縱向收縮而產生的應力;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縮孔焊縫金屬各部分的不均勻收縮而產生的，故稱為熱應力。
b、結晶應力
結晶應力是熔池金屬自液態向固態轉變時，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，其周圍的固態母材金屬還處于高溫狀態，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
組織應力是固態金屬發生相變時，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。前面已經提到，它會使焊件發生變形。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定的狀態，甚至處于晶格畸變的高能狀態，此時 容易遭受腐蝕， 別是應力腐蝕。事實上也證明，大多數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，因前者會產生較大的組織應力，后者會產生較大的熱應力(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生，故雙芯可調縮孔也應進行焊后熱處理。
3、雙芯可調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。它是施工現場應用 多的熱處理，因為此時進行整體熱處理是不現實的。
無論是采用雙芯可調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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