細說焊接應力

焊接應力分析

焊管應力按產生區域不同，可分為成型應力、焊接應力和定徑應力，它們相互影響；其中，焊接應力對焊管效能的影響最顯著。

焊接應力形成機制

高頻焊接的一個顯著特點是，焊接能量高度集中在一個細窄狹長的區域內。焊接過程中，待焊管坯邊緣、焊縫、熱影響區和母材被不均勻加熱，加熱時段焊縫及其附近升溫最快，溫度最高，熱影響區以外的管體升溫較慢、較低；而在冷卻時段，同樣是焊縫與熱影響區降溫強度最大，但與升溫強度比起來要弱。

由此造成焊縫部位與管體其他部位熱脹冷縮程度不同，焊管勢必要產生與各部位溫度相應的應變。可是，由於焊縫、熱影響區與母材是一個整體，相互關聯，相互制約，不能自由地伸長與縮短，伸長與縮短均部分受阻，形成內應力與應變，綜合作用的結果是，焊縫部位縱向在冷卻過程中發生急劇收縮，而中底部雖然也收縮，但收縮量相對焊縫部位小很多，致使焊管整體呈現沿焊縫向上彎曲。

焊接應力分類

焊管焊接應力按其產生原因可分為溫度應力、相變應力和殘餘應力。

溫度應力：

就高頻直縫焊管而言，溫度應力包括縱向溫度應力與橫向溫度應力兩類。

（1）縱向溫度應力：又稱縱向熱應力，與焊縫方向平行，是由管體焊接時受熱不均和焊後冷卻不均引起的，故焊管縱向熱應力有兩種表現形態，一是焊接熱應力，二是冷卻熱應力。

① 焊接熱應力產生的過程。待焊管坯邊緣被加熱後，在高頻電流鄰近效應作用下，焊接電流（熱量）高度集中到待焊管筒很窄的兩邊緣，待焊邊緣及熱影響區的溫度迅速升高，實現焊接，焊縫部位也因受熱而脹長；與此同時，其他部位升溫較慢且低；這種脹長受到溫度變化沒有這麼大的其他部位阻礙，不能自由地伸展。因此，焊縫部位就受到縱向壓縮，產生壓應力；同時其他部位因阻礙伸長而產生拉應力。如果焊接後沒有約束，則剛出擠壓輥的管端在熱漲應力作用下會迫使焊管呈現下彎狀態，當冷卻後它會回覆原狀。這種應力是在沒有外力作用下發生並存在於管體金屬內部的，且可以在管體中保持平衡，從而構成了一對相互平衡的內應力。它們大小相等，方向相反。在焊管生產過程中，焊縫部位受熱產生的縱向增長量的確被壓縮了。這恰好解釋了冷卻後的焊管為什麼總是呈現上翹。

② 冷卻熱應力產生的過程。根據焊管生產工藝，必須對焊接後的焊管進行快速冷卻，焊縫部位溫度因之急速降低，則焊縫部位因冷卻欲收縮，而這種收縮同樣要受到溫度變化慢的其他部位阻礙以及軋輥約束，不能自由地縮短。因此，焊縫部位就受到拉伸，產生拉應力；同時其他部位因阻礙伸長而產生壓應力。可是，倘若在焊管冷卻過程中沒有縱向約束，則在加熱焊接階段隱藏於焊縫部位的縱向壓縮量在此就體現出來——焊管沿焊縫方向上翹。

（2）橫向溫度應力。在焊縫冷卻過程中，還要受橫向溫度應力作用，其方向與焊縫垂直，當焊縫部位急速冷卻時，必然欲橫向收縮，可是，母材以及成型橫向殘餘應力必然會阻止這種收縮，因而焊縫部位就受到橫向拉應力作用，焊縫附近部位則受到橫向壓應力作用。作為例證，我們可以將焊管沿焊縫熔合線切開，則立刻可見部位的縫隙陡增。

相變應力：

金屬管材受熱焊接和冷卻時，焊縫部位的金屬會發生相變，體積會發生膨脹或縮減，而周圍金屬會阻礙其體積發生變化，這樣在金屬內部就產生了應力，並稱之為相變應力。如在焊管焊縫形成與冷卻過程中，焊縫部位至少會發生“固相→液相→固相”的變化，其間必然要產生相應的相變應力。

殘餘應力：

在焊管焊接過程和冷卻過程中，其所產生的的內應力超過管材屈服極限時，焊縫部位發生塑性變形；當焊管整體溫度恢復到原始溫度後，就產生新的內應力並殘存於管體中，這個新的內應力就是殘餘應力；與殘餘應力相對應的是殘餘應變。如在冷卻水套中的焊管，離開擠壓輥和定徑輥的束縛後，管體就會沿焊縫方向向上翹曲；而焊管沿焊縫方向向上翹曲的形態說明，焊縫部位存在較大的殘餘縱向壓應力，焊縫背面存在較大的殘餘拉應力，並且，殘餘壓應力大於殘餘拉應力。

實際上，殘存於焊管橫斷面的橫向拉應力對焊管危害更大，它直接威懾焊縫安全，特別當這種殘餘應力與管坯橫向成型時所產生的殘餘應力疊加後，破壞性就更大。如正在服役的輸油管道，焊縫（包括縱焊縫和環焊縫）及熱影響區會在瞬間發生破裂事故。研究證實，這些破裂事故大多是一種遠低於管材屈服強度的斷裂，而且斷裂具有突然性，很難預防。

消除焊縫殘餘應力的措施

（1）矯直

透過矯直機的矯直，可以“打亂”焊管原有殘餘內應力帶傾向性的分佈，使殘餘拉應力和壓應力在重新分佈的過程中部分被相互抵消。另外，焊管在被矯直輥周向旋轉的過程中，焊管橫向內應力在矯直輥徑向力作用下也得到重新分佈的機會，同樣是朝著減小的方向實現新的平衡。

（2）退火

包括焊縫區域性退火與焊管整體退火兩種，前者能夠大幅度消除焊縫縱、橫向應力，後者則能夠完全消除焊管生產過程中殘存於管體內的內應力，效果最好，但後者成本高。

（3）時效

將工件在室溫下放置一段時間，工件中的內應力會慢慢實現自我平衡，此為自然時效。自然時效一大弊端就是耗時長、佔地廣，這時可考慮振動時效進行處理，比如北京翔博科技研發的頻譜諧波時效、模態寬頻時效，目的就是消除這些構件的內應力。

（4）合理調校定徑軋輥

此舉既能增加焊縫橫向壓應力同時削減焊縫橫向拉應力，又可實現焊管縱向應力的再平衡。