服務(wù)熱線：雙芯可調(diào)縮孔焊接殘余應(yīng)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(yīng)力及焊接變形的產(chǎn)生
被熔化的焊縫金屬，在冷卻過(guò)程中將會(huì)收縮。 雙芯可調(diào)縮孔的焊縫來(lái)說(shuō)，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(zhǎng)度方向)收縮，它使管道的結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度趨于變短，使熔合線金屬處于拉應(yīng)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(yīng)力的狀態(tài);其三是角向收縮。當(dāng)焊縫坡口尺寸上下不一致時(shí)，焊縫金屬上下的收縮量也不同，從而使焊縫金屬承受一個(gè)彎曲應(yīng)力。這些應(yīng)力的存在都使得壓力管道的結(jié)構(gòu)形狀趨于發(fā)生變化，如果壓力管道受結(jié)構(gòu)的限制而不能發(fā)生形狀或尺寸的變化，那么這些應(yīng)力便以殘余應(yīng)力的形式存在于焊縫金屬中，通常稱之為焊接殘余應(yīng)力。由此可見(jiàn)，焊縫的殘余應(yīng)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(lái)說(shuō)，其橫向收縮產(chǎn)生的應(yīng)力有時(shí)是可以避免的，如預(yù)制過(guò)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(yīng)力是不可避免的，尤其是當(dāng)焊縫金屬與母材金屬的熱脹系數(shù)差別較大時(shí)，產(chǎn)生的應(yīng)力會(huì)很大;其角向收縮產(chǎn)生的應(yīng)力可以通過(guò)改變坡口形狀來(lái)緩解，尤其是當(dāng)管子及管件的壁厚較厚時(shí)，通過(guò)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(yīng)力。
從微觀上來(lái)講，雙芯可調(diào)縮孔焊接殘余應(yīng)力由以下三部分組成：
a、熱應(yīng)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(yīng)力。前者如焊縫的角向收縮、縱向收縮而產(chǎn)生的應(yīng)力;后者如由于焊接是移動(dòng)的，沿焊縫方向的金屬先后加熱和冷卻而造成的應(yīng)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(yīng)力。
b、結(jié)晶應(yīng)力
結(jié)晶應(yīng)力是熔池金屬自液態(tài)向固態(tài)轉(zhuǎn)變時(shí)，體積收縮受阻引起的應(yīng)力。如前面所提到的橫向整體收縮受阻引起的應(yīng)力 是結(jié)晶應(yīng)力。在一般的情況下，當(dāng)熔池金屬結(jié)晶時(shí)，其周圍的固態(tài)母材金屬還處于高溫狀態(tài)，此時(shí)其塑性較好，可以通過(guò)它的塑性變形來(lái)補(bǔ)償熔池金屬的收縮，因此不會(huì)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(yán)重的偏析，在較大的結(jié)晶應(yīng)力作用下 會(huì)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(yīng)力
組織應(yīng)力是固態(tài)金屬發(fā)生相變時(shí)，體積改變受阻而引起的應(yīng)力。例如，馬氏體的比容比較大，由奧氏體轉(zhuǎn)變成馬氏體時(shí)，其體積要膨脹。而馬氏體的轉(zhuǎn)變溫度較低(一般在200℃左右)，此時(shí)雙芯可調(diào)縮孔材料的塑性很低，很難通過(guò)塑性變形對(duì)其體積膨脹進(jìn)行補(bǔ)償，因此將產(chǎn)生較大的組織應(yīng)力。對(duì)于淬硬性較強(qiáng)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(yīng)力。由于馬氏體組織性能較脆，在組織應(yīng)力作用下會(huì)引起冷裂紋。
2、雙芯可調(diào)縮孔焊接殘余應(yīng)力對(duì)焊接接頭的影響
焊接殘余應(yīng)力的存在會(huì)對(duì)焊件帶來(lái)一系列不良影響。前面已經(jīng)提到，它會(huì)使焊件發(fā)生變形。因此對(duì)于焊后需要進(jìn)行機(jī)加工的管道元件，或者對(duì)焊接變形比較敏感的管道元件，均應(yīng)在機(jī)加工前或裝配前進(jìn)行熱處理，或者從結(jié)構(gòu)上采取措施。例如，對(duì)于DN≤40的焊接連接合金鋼閥門，由于其結(jié)構(gòu)尺寸較小，雙芯可調(diào)縮孔焊接變形和焊后熱處理會(huì)影響到其閥座的密封性，故一般要在它的兩端各加裝150mm長(zhǎng)的短管，該短管在制造廠焊好，這樣 使得現(xiàn)場(chǎng)的焊縫離閥門較遠(yuǎn)，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(yīng)力的存在還影響到焊接接頭金屬的 性能，因?yàn)榻饘僭趹?yīng)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(shí) 容易遭受腐蝕， 別是應(yīng)力腐蝕。事實(shí)上也證明，大多數(shù)應(yīng)力腐蝕的開(kāi)裂都是由焊接殘余應(yīng)力或加工殘余應(yīng)力引起的。因此，對(duì)于有應(yīng)力腐蝕破壞潛在危險(xiǎn)的壓力管道，應(yīng)進(jìn)行焊后熱處理;對(duì)于淬硬性較強(qiáng)的高強(qiáng)度管道元件，或者是大壁厚元件，因前者會(huì)產(chǎn)生較大的組織應(yīng)力，后者會(huì)產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力(因參于凝固結(jié)晶的金屬較多)，容易導(dǎo)致冷裂紋或熱裂紋的產(chǎn)生，故雙芯可調(diào)縮孔也應(yīng)進(jìn)行焊后熱處理。
3、雙芯可調(diào)縮孔焊接殘余應(yīng)力的消除
前面已多次提到，進(jìn)行焊后熱處理是消除或緩解焊接殘余應(yīng)力影響的 途徑。根據(jù)熱處理進(jìn)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(gè)焊件(包括焊縫和母材)置于加熱爐中進(jìn)行焊接殘余應(yīng)力的消除。這種方法僅適用于焊件結(jié)構(gòu)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(guò)程中的焊接和焊補(bǔ)修理熱處理;其二是采用局部高溫回火熱處理，即僅對(duì)焊縫及其附近的母材金屬加熱到600℃~650℃左右進(jìn)行熱處理。它是施工現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用 多的熱處理，因?yàn)榇藭r(shí)進(jìn)行整體熱處理是不現(xiàn)實(shí)的。
無(wú)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(yīng)力全部消除，因?yàn)楹负鬅崽幚聿荒芨淖儫釕?yīng)力的大小，而僅對(duì)消除組織應(yīng)力 有效，但它對(duì)熱應(yīng)力和結(jié)晶應(yīng)力能起到平衡緩解的作用，即通過(guò)金屬的再結(jié)晶使應(yīng)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(yīng)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(yù)熱等措施都有助于減少焊接殘余應(yīng)力。
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