服务热线：双芯可调缩孔焊接残余应力及焊接变形
2018年09月29日
沧州五森管道有限公司
1、双芯可调缩孔焊接残余应力及焊接变形的产生
被熔化的焊缝金属，在冷却过程中将会收缩。 双芯可调缩孔的焊缝来说，焊缝金属的收缩可能以三种型式出现：其一是横向(即沿管道长度方向)收缩，它使管道的结构长度趋于变短，使熔合线金属处于拉应力状态;其二是纵向(即径向)收缩，它使焊缝金属与母材处于受剪应力的状态;其三是角向收缩。当焊缝坡口尺寸上下不一致时，焊缝金属上下的收缩量也不同，从而使焊缝金属承受一个弯曲应力。这些应力的存在都使得压力管道的结构形状趋于发生变化，如果压力管道受结构的限制而不能发生形状或尺寸的变化，那么这些应力便以残余应力的形式存在于焊缝金属中，通常称之为焊接残余应力。由此可见，焊缝的残余应力与焊件的变形是互为影响的，其产生的原因都是由于焊缝的不均匀收缩或收缩受阻引起的。
双芯可调缩孔的焊缝来说，其横向收缩产生的应力有时是可以避免的，如预制过程中的焊接接头即如此。有些是不可避免的，如已装配和固定好的一条管道的 一道焊缝即如此;其纵向收缩产生的应力是不可避免的，尤其是当焊缝金属与母材金属的热胀系数差别较大时，产生的应力会很大;其角向收缩产生的应力可以通过改变坡口形状来缓解，尤其是当管子及管件的壁厚较厚时，通过采用X型或U型坡口，可以缓解较大的角向收缩产生的应力。
从微观上来讲，双芯可调缩孔焊接残余应力由以下三部分组成：
a、热应力
这是由于焊缝本身各部分收缩量不同或者是由于加热不均匀(局部加热)而产生的应力。前者如焊缝的角向收缩、纵向收缩而产生的应力;后者如由于焊接是移动的，沿焊缝方向的金属先后加热和冷却而造成的应力。它们都是由于双芯可调缩孔焊缝金属各部分的不均匀收缩而产生的，故称为热应力。
b、结晶应力
结晶应力是熔池金属自液态向固态转变时，体积收缩受阻引起的应力。如前面所提到的横向整体收缩受阻引起的应力 是结晶应力。在一般的情况下，当熔池金属结晶时，其周围的固态母材金属还处于高温状态，此时其塑性较好，可以通过它的塑性变形来补偿熔池金属的收缩，因此不会在母材中引起裂纹。如果母材金属塑性较差(如铸铁、铜等)，或者双芯可调缩孔母材有严重的偏析，在较大的结晶应力作用下 会引起裂纹。在焊件刚性比较大的情况下也容易引起裂纹。
c、组织应力
组织应力是固态金属发生相变时，体积改变受阻而引起的应力。例如，马氏体的比容比较大，由奥氏体转变成马氏体时，其体积要膨胀。而马氏体的转变温度较低(一般在200℃左右)，此时双芯可调缩孔材料的塑性很低，很难通过塑性变形对其体积膨胀进行补偿，因此将产生较大的组织应力。对于淬硬性较强的金属材料，如果焊后冷却速度较快，很容易出现这样的组织应力。由于马氏体组织性能较脆，在组织应力作用下会引起冷裂纹。
2、双芯可调缩孔焊接残余应力对焊接接头的影响
焊接残余应力的存在会对焊件带来一系列不良影响。前面已经提到，它会使焊件发生变形。因此对于焊后需要进行机加工的管道元件，或者对焊接变形比较敏感的管道元件，均应在机加工前或装配前进行热处理，或者从结构上采取措施。例如，对于DN≤40的焊接连接合金钢阀门，由于其结构尺寸较小，双芯可调缩孔焊接变形和焊后热处理会影响到其阀座的密封性，故一般要在它的两端各加装150mm长的短管，该短管在制造厂焊好，这样 使得现场的焊缝离阀门较远，从而不致于因焊接或热处理变形而影响到阀门的密封性;焊接残余应力的存在还影响到焊接接头金属的 性能，因为金属在应力的作用下处于不稳定的状态，甚至处于晶格畸变的高能状态，此时 容易遭受腐蚀， 别是应力腐蚀。事实上也证明，大多数应力腐蚀的开裂都是由焊接残余应力或加工残余应力引起的。因此，对于有应力腐蚀破坏潜在危险的压力管道，应进行焊后热处理;对于淬硬性较强的高强度管道元件，或者是大壁厚元件，因前者会产生较大的组织应力，后者会产生较大的热应力(因参于凝固结晶的金属较多)，容易导致冷裂纹或热裂纹的产生，故双芯可调缩孔也应进行焊后热处理。
3、双芯可调缩孔焊接残余应力的消除
前面已多次提到，进行焊后热处理是消除或缓解焊接残余应力影响的 途径。根据热处理进行的方式不同，可以分为两种：其一是采用整体高温回火热处理，即将整个焊件(包括焊缝和母材)置于加热炉中进行焊接残余应力的消除。这种方法仅适用于焊件结构尺寸较小的情况，在双芯可调缩孔中则常用于管道元件在制造过程中的焊接和焊补修理热处理;其二是采用局部高温回火热处理，即仅对焊缝及其附近的母材金属加热到600℃~650℃左右进行热处理。它是施工现场应用 多的热处理，因为此时进行整体热处理是不现实的。
无论是采用双芯可调缩孔整体热处理还是局部热处理，都不能将焊接残余应力全部消除，因为焊后热处理不能改变热应力的大小，而仅对消除组织应力 有效，但它对热应力和结晶应力能起到平衡缓解的作用，即通过金属的再结晶使应力重新分布，降低其峰值。一般情况下，焊后热处理可以消除60%~80%的焊接残余应力。除此之外，采用合理的施焊顺序，采用较小的焊接电流和较大的焊接速度，双芯可调缩孔采用焊前预热等措施都有助于减少焊接残余应力。
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