直缝不锈钢焊管高频感应焊接残余应力分析

  焊接是一种运用加热或加压手段、添加或不添加填充材料将构件不可拆卸地连接在一起或在基表面堆敷覆盖层的加工工艺。不锈钢焊管因焊接而产生的内应力称之为焊接应力，按作用时间可分为焊接瞬时应力和焊接残余应力。焊接过程中，某一瞬时的焊接应力称之为焊接瞬时应力，它随着时间而变化。直缝不锈钢焊管焊后残留在焊管内自身相互平衡分布的焊接应力称之为焊接残余应力。焊接残余应力是由于焊接加热产生不均匀温度场引起的，主要为热应力，其相反作用的相变应力可再叠加其上。可以运用以下的经验法则判别产生焊接残余应力的情况：不锈钢焊管最后冷却的区域以热应力为主时，呈现焊接拉伸应力；以相变应力为主时，呈现焊接压缩应力。

1. 焊接残余应力产生的原因

  直缝不锈钢焊管在加工过程中是比较容易产生残余应力的加工过程。焊接是把结构构件彼此之间连接起来，这种结合就会使这些工件之间形成约束状态。因此，通常所说的焊接残余应力包括两个部分：一是当焊接件处于自由状态时，由于焊接而产生的应力，这种应力在焊接件中保持自身平衡，称为焊接残余应力；一是由于焊接件以外的约束而造成的残余应力，称为约束应力。

  不锈钢焊管焊接加工残余应力的形成，一般包括下列三个方面：

  a. 直接应力，这是由于不均匀加热而造成的，它是取决于焊接件加热和冷却时的温度梯度而表现出来的热应力，是焊接残余应力形成的主要方面。

  b. 间接应力，这是焊接前工序带来的应力，构件在轧制和冷拔后其表面具有拉伸应力，它与焊接产生的应力叠加，并对焊接后的构件的变形产生附加的影响。

  c. 组织应力，这是由于组织变化而产生的应力，它与含碳量及材料的其他成分有关。其中，直接应力是焊接残余应力形成的主要方面，即焊接残余应力的产生主要是由加热和冷却时的热应力及由它所造成的塑性变形来确定，对这种残余应力起决定性影响的是开始加热时焊接件的温度分布，也就是焊接件各点的温度梯度。焊接件的温度分布受焊接件的形状、焊接速度及材料的热传导系数等热学性质的影响。

  此外，不锈钢焊管的变形特性对残余应力的产生也有影响。因为诸如材料的屈服应力、弹性模量、热膨胀系数等都与温度有关，屈服应力、弹性模量等随温度的升高而下降，而热膨胀系数则随温度的升高而增大。焊接是一个涉及电弧物理、传热传质、冶金力学的复杂过程，并在传热过程中金属进行着熔化和凝固、加热或冷却的相变、焊接应力与变形等。高温停留时间、冷却速度等热传循环系数会对焊件的组织状态、力学性能、氢扩散以及焊接冷裂纹等产生重要影响。因此焊接温度场的准确计算是焊接冶金分析、残余应力与变形计算以及焊接质量的控制的前提。从中可以看出，要想研究焊接残余应力必须首先对焊接过程中的温度场进行分析，然后得出应力的动态分布和应力场和温度场的耦合。焊接温度场、应力场的模拟就是运用其热、结构及二者的耦合分析功能进行计算，即先运用其热分析功能计算整个焊接过程的温度场，然后将温度场的计算结果作为热载荷进行结构的力学分析，得到应力场的整个动态变化过程。

2. 焊接残余应力的测试

 目前虽然已发展了焊接热弹塑性理论，借助于有限元和高速计算机来计算和预测焊接残余应力的形成和分布，在某些场合可以获得比较理想的结果；但是，由于焊接过程本身的复杂性和数值模拟分析本身的局限性，理论计算和实际检测的结果并不总是符合得很好，因此焊接残余应力的实测经常是很必要的。

 焊接残余应力的测量方法很多。参照文献按其对结构是否破坏来讲，有全破坏法、半破坏法和无损法。按其测试原理来讲，可分为物理测定法和机械测定法。

 物理测量方法，它的特点是无需将材料进行分离或分割。可利用材料的物理特性采用一定的方法直接测量构件的残余应力。X射线和磁性测定法是利用晶体的X射线的衍射现象和材料的磁性(往往伴用着色剂)来求出残余应力的大小及其分布状况。超声波法是根据声波在材料的传播状态来测定残余应力的方法。

 机械测定法的测量原理，是将具有残余应力的部分，用一定的方法进行局部分离或分割。从而使残余应力被局部释放，测定这时的变形，然后应用弹性力学来求出残余应力。这种方法大多要破坏或半破坏构件，也称应力释放法。是以测量宏观残余应力为对象的，其中全破坏应力释放法包括切条法、车削法和刨削法。而半破坏法中有盲孔松弛法、释放法和套孔释放法。其中盲孔松弛法是利用电阻应变片测定由于钻孔而释放的应变形状来判知焊件内残余应力的方法，由于其测试方法相对简单，准确性好，成为较常用的测量残余应力方法。

3. 焊接残余应力对不锈钢焊管疲劳性能的影响

 焊接残余应力对断裂的影响可以分为：对静载强度的影响，对疲劳强度的影响，对应力腐蚀断裂的影响。

 a. 对静载强度的影响如果材料是脆性材料，由于材料不能进行塑性变形随着外力的增加，构件中不可能应力均匀化。应力峰值将不断增加，直至达到材料的屈服极限，发生局部破坏，最后导致整个构件断裂。对于塑性材料，在低温环境下存在三向拉伸残余应力的作用，会阻碍塑性变形的产生，从而也会大大降低构件的承载能力。

 b. 对疲劳强度的影响残余应力对构件疲劳强度的影响，常与其它一些因素交织在一起。试验研究表明对不同的钢种，不同类型的应力集中源、残余应力场对构件疲劳性能的影响是不同的。同一材料，同样的残余应力场，因作用的疲劳载荷应力循环特征系数不同会产生不同的影响。应力比率越低，应力集中系数越大，影响越大。

 c. 对应力腐蚀断裂的影响应力腐蚀断裂是指敏感金属或合金在一定的拉应力和一定腐蚀介质环境共同作用所引起的腐蚀断裂过程。由于拉应力的作用对金属表面腐蚀钝化膜不断破坏，从而加速腐蚀断裂过程。拉应力越大，发生应力腐蚀断裂越快。焊接残余应力不仅对断裂有影响，而且对结构稳定性、刚度、机械加工精度都有影响。

4. 残余应力的特性

 经过长期的实践和研究，人们逐渐认识到不锈钢焊管焊接残余应力具有以下特性。

 a. 自相平衡性残余应力是内应力的一种，一般情况下，拉、压应力同时存在于一个焊管中，并且互相平衡，在没有外界因素干扰的情况下，拉压应力的分布特征将有一定的稳定性。

 b. 遵循叠加原理应力叠加原理包含有两个方面：第一，在焊接应力的产生、演变过程中，如果在热应力、组织应力和拘束应力中同时存在两种或三种，最终结果将为这两种或三种应力的叠加。投入使用的焊接结构，如果存在未消除的残余应力，将于工作载荷引起的工作应力相叠加，从而影响到结构的承载能力和工作寿命。

 c. 产生应力重分布现象当不锈钢焊管在工作或加工中由外部因素(加载、受热等)引起的应力与焊接残余应力相叠加超过材料的屈服极限而产生局部屈服，去除外因后，则焊管不能恢复原来而出现新的变形，而且残余应力的分布状态也将发生变化，一般应力峰值会下降；如果这种应力叠加产生全面屈服，则该处残余应力中的弹性部分将全面消除。这种残余应力分布状态的变化称为应力重分布，伴随应力重分布所发生的变形称为二次变形。这一特性带来正负两方面的影响。正面影响是降低残余应力的峰值又可提高承载能力和使用寿命。工程界利用这一特性进行所谓超载实验，以消除或降低残余应力数值，改善残余应力分布，已经发展成为控制残余应力的有效措施之一。在套管的生产工序中，高强度的水压实验可以产生应力重分布，降低峰值，提高其使用寿命。负面影响是降低不锈钢焊管的使用寿命和使用强度。