不锈钢焊管焊接残余应力及焊接变形控制技术

为了探究控制不锈钢焊管焊接过程变形策略，通过钢板对接方法研究了焊接残余应力及焊接变形．以两块同料、同尺寸钢板对接解析焊接工艺过程，设定常态焊接工艺参数，在焊接钢板上进行焊接横向及纵向残余应力计算，并在焊接过程构建温度场，建立有限元模型，绘制其温度曲线图，探究残余应力变化趋势及分布情况．结果表明，对接焊接不锈钢焊管焊缝附近部分残余应力较大，结构残余应力在初始加热时期会呈现较快下降趋势，后逐渐趋于平缓，钢板对接焊接变形主要原因是纵向残余应力过大，可通过平行加热处理降低纵向残余应力的影响。

不锈钢焊管是现代施工项目主要结构，焊接不锈钢焊管残余应力会导致结构产生疲劳裂纹，导致局部受损并逐渐影响整个不锈钢焊管性能．我国从20世纪80年代开始进行焊接数值模拟的研究工作，考虑了材料的物理、力学常数随温度的变化，对一个简单的焊接模型进行了焊接过程的力学行为研究，表明线性单元在保证较高分析精度的同时，能够有效缩减计算时间，提高计算效率；对H维非线性瞬态焊接温度场进行了有限元分析，探讨了焊接温度场的特点和提高求解精度的若干途径，结果表明，在保证结构精度和强韧性的前提下，将结构的焊接应力降到最小，并对焊接残余应力均匀分布，有效地防止了应力腐蚀裂纹的产生；介绍了焊接残余塑性应变的计算方法和基于残余塑变预测焊接变形的有限元法，并给出了计算实例，结果表明，加热工艺后纵向残余应力峰值比原堆焊试样显著降低且分布趋于平缓。

1焊接结构残余应力产生的因素

1.1不锈钢焊管材料性能和力学性能产生的焊接残余应力

对不锈钢焊管进行焊接过程中，其产生的残余应力主要因素是在加热时受热不均匀，导致焊接后温度呈梯度进行冷却造成的。其受热不均匀从物理因素层面可概括为以下内容。对不同材料性质的不锈钢焊管零部件进行加工时，由于其金属材料的不同，对温度的感应也必然有不同的反应，进而造成比热容发生变化，使焊接部位组织结构发生相应的变化。此外，由于焊接部位的密度，热膨胀系数、导热系数、密度等物理因素，同样会造成焊接部位受热不均匀，产生残余焊接应力。

1.2人员能力匹配性不足

一些小企业对焊接重视不够，长期雇佣无操作能力的人员从事焊接工作，给工程质量带来巨大的隐患。技术人员缺少设计经验，理论水平高而实际能力不足，对焊接结构的性能及强度分析不足，在产品设计上存在先天缺陷。这些人员能力与其工作岗位的不匹配，给不锈钢焊管焊接安全性、可靠性造成了负面影响。另外，不锈钢焊管焊接过程当中缺乏统一标准，各个地区焊接的标准不一。某些行业会运用国外技术，同时会聘请国外承包商对于项目进行施工，国外标准和国内的标准的转化过程中出现差错，更影响焊接不锈钢焊管的最终质量。

1.3不锈钢焊管焊接残余应力的产生主要来自于材料性能和力学性能

在不锈钢焊管的焊接过程中，受热不均匀是残余应力产生的最主要的原因，当受热不均匀的时候，焊接之后的温度冷却呈现一定的规律，是呈梯度进行的。从物理因素的角度来对受热不均匀的现象进行相应的分析：不同类型的不锈钢焊管零部件具有不同的材料性质，当对其进行加工的时候，金属材料的不同使其对温度的感应也存在一定的差异，这就导致了比热容的变化，在此过程中，焊接部位的组织结构也会发生相应的变化。

2不锈钢焊管焊接残余应力及焊接变形控制技术

2.1残余应力调控工艺窗口

残余应力是造成不锈钢焊管焊接变形的一项因素，降低残余应力可有效降低结构焊接变形情况．不锈钢焊管焊接后由于温度场集中于焊缝部位，导致冷却后残余应力集中于焊缝处．焊接过程初始焊接温度、焊点到焊件距离、最大温度、有效加热半径和试件厚度等均是影响不锈钢焊管焊接的条件．为了探究不锈钢焊管残余应力的控制效果，研究设定其残余应力调控工艺窗口。

2.2工地焊接

1)环境的要求。工地焊接时，母材的焊接部位对环境的要求比较高，必须对焊接部位进行有效的防护，采取措施进行防风、防潮和预先加热、烘干进行配置。在满足设计要求和符合施工工艺要求的前提下，方可进行焊接作业。当雨雪天、母材表面潮湿或大风的露天天气，严禁作业，必须采取有效的防护措施，满足风力小于5级，温度不小于5℃，湿度不大于80%的条件下方可进行焊接作业。2)焊接的质量控制要点。环向焊缝应采用手工焊或自动焊，对接头应做成阶梯形。不锈钢焊管工地的焊接应采用全焊接工艺，即对于焊接实施的前、中、后进行全过程控制。首先，在实施焊接前，对进行操作的人员要求必须持证上岗，对于操作所使用的焊材的质量严格把控，使用正规出厂并有合格证的焊条。其次，在实施焊接操作过程中，对于焊缝的外观、工艺要严格要求管控。打火引弧操作必须控制在焊缝区之内，焊缝无裂纹、无焊瘤；在坡口内起弧的局部面积应焊接一次，不得留下弧坑，二级焊缝要求做到无气孔、无夹渣、无弧坑裂纹，一级焊缝要求做到满焊、无咬边。在焊接结束后，为确保每一道焊缝的质量可控，焊工要在指定部位加盖钢印，并在确保不损害焊缝完好度的情况下进行检测。顶板、腹板、底板接缝要错开，错开位置与前后分段节段错开位置不重合。3)焊缝的质量控制要点。为确保焊缝质量，要求所有连接焊缝及溶透的对接都应采用溶焊，坡口焊接时贴角的焊缝，如设计未能给出准确贴角尺寸，一般不能小于1．5(t)1/2考虑取值，t为两焊件中较厚焊件的厚度。顶板、底板的纵横向对接焊缝、外腹板与顶板、斜底板间的焊接缝隙全部为Ⅰ级的溶透性焊缝，并最好做到热熔金属量少、焊后不易变形的坡口。4)焊缝检测的质量控制要点。焊接完成后，应对焊缝进行无损检测，主要构件的对接接头和角接头的机械性能(包括拉伸、弯曲和冲击)的试验值不得低于母材的标准值。当检测的焊缝不合格时，应进行返修重焊，返修的次数不宜大于2次，在第二次返修时，应查明不合格的原因。

2.3加强过程管理

在焊接前，应当制定完整的焊接工艺流程，根据焊接需求，提出设备、耗材、产品前期尺寸准备等明确要求，避免焊接过程之中准备不足的情况；根据焊接操作人员的能力水平，制定合理的焊接工艺参数，合理设计焊接验收标准；谋划好非正常事件的处理程序，减少质量、生产波动，使项目有序推进；制定合适评定标准，通过有效评定标准，对于项目进行科学合理的评价。对于特别重要的关键焊接结构，可借鉴国外NADCAP的先进管理经验，从人员、设备、材料、工艺、环境、产品、质量等方面进行有效控制。人员针对此产品进行焊接能力和焊接参数的评估、固化，不允许改变自身的焊接参数，除非重新评估；固定专用设备焊接特定产品；焊接材料应经过焊接实际应用，并检测评定合格；工艺文件固化所有关键细节，任何影响质量的风险点均进行合理控制；产品的标准固定，检测项目合理有效；焊接后的产品不允许存在质量波动，应保证其一致性、互换性。通过多方面控制细节，减少质量风险。

2.4控制不锈钢焊管焊接变形的方法

在不锈钢焊管焊接加工中，为了有效控制不锈钢焊管焊接变形的问题，首先需要严格控制焊接量，避免焊接残余应力出现。在不锈钢焊管材料焊接加工前必须做好充足的准备工作，深入了解和分析不锈钢焊管的基本特征，焊缝的尺寸需要进行严格管理，母材不能进行焊缝。其次，在不锈钢焊管焊接中需要合理调整焊接工艺次序，对于不必要的焊接次序需要进行优化调整，如果不锈钢焊管的收缩量比较大，那么需要提前焊接，然而继续焊接长直缝，只有遵循先大后小的原则，才能避免残余应力。最后，在先进的科学技术支撑下，可以不断改善焊接技术，加强应用全新的焊接技术，例如：二氧化碳保护焊以及氩弧焊，这些焊接工艺技术都能避免不锈钢焊管变形问题产生。

2.5焊接参与变形的控制措施

对焊接量进行合理的控制，这样做的目的是减少焊接残余应力的产生。那么，在焊接之前，需要对焊接结构进行全面、深入地分析和探究。需要注意，不对母材进行焊缝。焊接工艺的程序也是非常重要的一项内容，对焊接残余应力也有着相应的影响。当下我国的焊接工艺技术还存在一定的问题，还需要进行相应的完善。通过焊接次序的合理改变可以在一定程度上减少焊接残余应力的产生。随着科学技术的发展，焊接技术也得到了相应的完善，需要对新型的焊接技术进行充分的应用，传统的焊接技术已经不能满足焊接构建焊接的要求。可以使用的新型的焊接技术包括二氧化碳保护焊、氩弧焊等。

3结束语

随着社会经济和科学技术的发展，各行各业对于焊接技术的要求有了很大的提高，需要对其性能、质量等进行相应的提高和完善。对于焊接结构来说，焊接残余应力跌消除是至关重要的，可为其提供重要的保障，在一定程度上提高其刚度、强度和稳定性等。不过，就当下的形势来说，焊接残余应力跌消除还需要一段时间，必须要对每一个环节进行充分的研究和改变，使其朝着越来越精细化的方向发展。