對(duì)根焊焊接變形因素的改進(jìn)

1、摘要目前，我國(guó)正經(jīng)歷著一個(gè)管道建設(shè)的高峰期，隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，長(zhǎng)輸油氣管道正在向著大口徑發(fā)展，焊接是管道施工過(guò)程中的關(guān)鍵工序，焊接的質(zhì)量和效率直接影響著整個(gè)工程的質(zhì)量和效率。在焊接過(guò)程中由于急劇的非平衡加熱及冷卻,結(jié)構(gòu)將不可避免地產(chǎn)生不可忽視的焊接殘余變形。焊接殘余變形是影響結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完整性、制造工藝合理性和結(jié)構(gòu)使用可靠性的關(guān)鍵因素。本文將對(duì)焊接過(guò)程當(dāng)中殘余變形產(chǎn)生的原因和影響因素及其控制與改進(jìn)措施做詳細(xì)的闡述。關(guān)鍵字：焊接；殘余變形；改進(jìn)措施ABSTRACT At present, China is going through a pipeline construction peak, wi

2、th industrial technology development, the long oil and gas pipelines is moving towards the development of large diameter, welding is the key process pipeline construction process, the welding quality and efficiency directly influences the whole engineering quality and efficiency. In the welding proc

3、ess due to unbalanced heating and rapid cooling, structure will inevitably produce overlooked welding residual deformation. Welding residual deformation is affecting the structure design integrity, manufacturing technology rationality and structure the reliability of key factors used. This paper wil

4、l in the process of welding residual deformation causes and influencing factors and control and improvement measures for detailed elaboration. Key word: welding; Residual deformation; Improvement measures 目錄前言5第一章焊接應(yīng)力與變形61.1焊接應(yīng)力與變形的產(chǎn)生61.1.1焊接應(yīng)力與變形的基本知識(shí)61.1.2焊接應(yīng)力與變形的基本假定71.1.3焊接應(yīng)力與變形產(chǎn)生的原因8第二章 對(duì)根焊的認(rèn)識(shí)1

5、02.1幾種常用的根焊焊接工藝112.1.1手工電弧向上焊112.1.2手工向下焊工藝112.1.3半自動(dòng)焊根焊112.1.4自動(dòng)焊根焊122.2根焊的應(yīng)用13第三章 管材根焊的變形因素分析143.1焊接變形的影響因素143.1.1材料因素的影響143.1.2結(jié)構(gòu)因素的影響143.1.3工藝因素的影響153.1.4焊縫截面積的影響153.1.5焊接熱輸入的影響153.1.6焊接方法的影響153.1.7接頭形式的影響163.1.8焊接層數(shù)的影響16第四章 對(duì)焊接變形因素的控制174.1設(shè)計(jì)措施174.1.1對(duì)焊縫位置合理安排174.1.2減少不必要的焊縫174.1.3對(duì)焊接的尺寸和形式進(jìn)行合理選

6、擇174.2工藝措施184.2.1焊前預(yù)防措施184.2.2焊接過(guò)程控制措施184.2.3焊后矯正措施194.2.4焊接應(yīng)力的控制措施194.2.5對(duì)以上工藝措施細(xì)節(jié)的控制214.3對(duì)以上控制措施的分析22第五章 改進(jìn)方案的可行性探究235.1施工案例235.2改進(jìn)方案的可行性探究235.2.1設(shè)計(jì)措施改進(jìn)的可行性探究235.2.2工藝措施改進(jìn)的可行性探究23第六章 結(jié)論24致謝25參考文獻(xiàn)26前言長(zhǎng)輸管道作為遠(yuǎn)距離油氣輸送的主要方式，隨著我國(guó)能源工業(yè)的發(fā)展和能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整，管道工程建設(shè)迅猛發(fā)展。截止2003年底，輸油氣管道累計(jì)長(zhǎng)度45865Km，居世界第六位；其中原油管道15915 Km、天

7、然氣管道21299 Km、成品油管道6525 Km、海底管道2126 Km?！拔鳉鈻|輸”、“冀寧聯(lián)絡(luò)線”、“陜京二線”、“西部管道”等國(guó)內(nèi)大型管道工程相繼建成投產(chǎn)或即將完工，跨國(guó)管道“中哈管線”也即將完工，與俄羅斯及鄰國(guó)、中亞等國(guó)的管線建設(shè)一直都在緊張籌劃中。據(jù)國(guó)家規(guī)劃，至2020年，我國(guó)油氣輸送管道基本形成分布合理、聯(lián)絡(luò)成網(wǎng)、互相調(diào)配、安全可靠、覆蓋全國(guó)主要區(qū)域的油氣管網(wǎng)，滿(mǎn)足社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活需要。為了增加管道輸送量和降低工程成本、滿(mǎn)足越來(lái)越苛刻的使用條件要求，大口徑、耐高壓、薄壁化的高強(qiáng)韌性管線鋼是發(fā)展趨勢(shì)。國(guó)產(chǎn)高強(qiáng)X70管線鋼在“西氣東輸”工程中全面使用，X80目前僅在冀寧管道上成

8、功試用。德國(guó)、加拿大等歐美國(guó)家已經(jīng)在陸地和海洋建設(shè)了很多X80管線；加拿大Trans Canada管道公司2002年完成了1km的1219mm14.3mm的X100鋼管試驗(yàn)段，Exxon Mobil公司于2004年在加拿大建成了X120鋼管的1.6km試驗(yàn)段。管道施工中的環(huán)焊部位是失效事故的多發(fā)位置，管道焊接技術(shù)是施工中必須確保的關(guān)鍵技術(shù)，不僅直接關(guān)系到工程的焊接質(zhì)量、施工效率和成本，而且對(duì)管線運(yùn)行期間的安全可靠性和經(jīng)濟(jì)效益也有重要影響。因此，開(kāi)展管道工程的焊接技術(shù)研究，提高焊接技術(shù)水平，是現(xiàn)代優(yōu)質(zhì)、高效施工的必然要求。本方案在對(duì)焊接過(guò)程中存在的變形因素進(jìn)行了較為深入的分析與研究之后，從多方面

9、、多角度對(duì)這些因素進(jìn)行了控制與改進(jìn)。第一章 焊接應(yīng)力與變形焊接時(shí)，由于局部高溫加熱而造成焊件上溫度分布不均勻，最終導(dǎo)致在結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生了焊接應(yīng)力與變形。焊接應(yīng)力是引起脆性斷裂、疲勞斷裂、應(yīng)力腐蝕斷裂和失穩(wěn)破壞的主要原因。另外，焊接變形也使結(jié)構(gòu)的形狀和尺寸精度難以達(dá)到技術(shù)要求，直接影響結(jié)構(gòu)的制造質(zhì)量和使用性能。因此，本章主要討論焊接應(yīng)力與變形的基本概念及其產(chǎn)生原因；焊接變形的種類(lèi)，控制焊接變形的工藝措施和焊后如何矯正焊接變形；焊接應(yīng)力的分布規(guī)律，降低焊接應(yīng)力的工藝措施和焊后如何消除焊接殘余應(yīng)力。1.1焊接應(yīng)力與變形的產(chǎn)生 1.1.1焊接應(yīng)力與變形的基本知識(shí)（1）變形 物體在外力或溫度等因素的作用下

10、，其形狀和尺寸發(fā)生變化，這種變化稱(chēng)為物體的變形。當(dāng)使物體產(chǎn)生變形的外力或其它因素去除后變形也隨之消失，物體可恢復(fù)原狀，這樣的變形稱(chēng)為彈性變形。當(dāng)外力或其它因素去除后變形仍然存在，物體不能恢復(fù)原狀，這樣的變形稱(chēng)為塑性變形。物體的變形還可按拘束條件分為自由變形和非自由變形。在非自由變形中，有外觀變形和內(nèi)部變形兩種。以一根金屬桿的變形為例，當(dāng)溫度為T(mén)0時(shí)，其長(zhǎng)度為L(zhǎng)0，均勻加熱，溫度上升到T時(shí)，如果金屬桿不受阻，桿的長(zhǎng)度會(huì)增加至L，其長(zhǎng)度的改變LT=L- L0，LT就是自由變形，見(jiàn)圖1-la。如果金屬桿件的伸長(zhǎng)受阻，則變形量不能完全表現(xiàn)出來(lái)，就是非自由變形。其中，把能表現(xiàn)出來(lái)的這部分變形稱(chēng)為外觀變形

11、，用Le表示；而未表現(xiàn)出的變形稱(chēng)為內(nèi)部變形，用L表示。在數(shù)值上，L=LT-Le，見(jiàn)圖1-lb。單位長(zhǎng)度的變形量稱(chēng)為變形率，自由變形率用T表示，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為： T=LT/L0=(T-T0) （1-1）式中 金屬的線膨脹系數(shù)，它的數(shù)值隨材料及溫度而變化。外觀變形率e，可用下式表示： e=Le/L0 同樣，內(nèi)部變形率用下式表示： =L/L0 （2）應(yīng)力存在于物體內(nèi)部的、對(duì)外力作用或其它因素引起物體變形所產(chǎn)生的抵抗力，叫做內(nèi)力。另外，在物理、化學(xué)或物理化學(xué)變化過(guò)程中，如溫度、金相組織或化學(xué)成分等變化時(shí)，在物體內(nèi)也會(huì)產(chǎn)生內(nèi)力。物體單位截面積上的內(nèi)力叫做應(yīng)力。根據(jù)引起內(nèi)力原因不同，可將應(yīng)力分為工作應(yīng)力和

12、內(nèi)應(yīng)力。工作應(yīng)力是由外力作用于物體而引起的應(yīng)力；內(nèi)應(yīng)力是由物體的化學(xué)成分、金相組織及溫度等因素變化，造成物體內(nèi)部的不均勻性變形而引起的應(yīng)力。內(nèi)應(yīng)力存在于許多工程結(jié)構(gòu)中，如鉚接結(jié)構(gòu)、鑄造結(jié)構(gòu)、焊接結(jié)構(gòu)等。焊接應(yīng)力就是一種內(nèi)應(yīng)力。內(nèi)應(yīng)力的顯著特點(diǎn)是，在物體內(nèi)部，內(nèi)應(yīng)力是自成平衡的，形成一個(gè)平衡力系。（3）焊接應(yīng)力與焊接變形 焊接應(yīng)力是焊接過(guò)程中及焊接過(guò)程結(jié)束后，存在于焊件中的內(nèi)應(yīng)力。由焊接而引起的焊件尺寸的改變稱(chēng)為焊接變形。1.1.2焊接應(yīng)力與變形的基本假定 金屬在焊接過(guò)程中，其物理性能和力學(xué)性能都會(huì)發(fā)生變化，給焊接應(yīng)力的認(rèn)識(shí)和確定帶來(lái)了很大的困難，為了后面分析問(wèn)題方便，對(duì)金屬材料焊接應(yīng)力與變形作

13、以下假定：（1）平截面假定 假定構(gòu)件在焊前所取的截面，焊后仍保持平面。即構(gòu)件只發(fā)生伸長(zhǎng)、縮短、彎曲，其橫截面只發(fā)生平移或偏轉(zhuǎn)，永遠(yuǎn)保持平面。（2）金屬性質(zhì)不變的假定 假定在焊接過(guò)程中材料的某些熱物理性質(zhì)，如線膨脹系數(shù)()、熱容(c)、熱導(dǎo)率()等均不隨溫度而變化。（3）金屬屈服強(qiáng)度假定 為了討論問(wèn)題的方便，我們將它簡(jiǎn)化為圖中虛線所示。即在500以下，屈服強(qiáng)度與常溫下相同，不隨溫度而變化；500至600之間，屈服強(qiáng)度迅速下降；600以上時(shí)呈全塑性狀態(tài)，即屈服強(qiáng)度為零。我們把材料的屈服強(qiáng)度為零時(shí)的溫度稱(chēng)為塑性溫度。（4）焊接溫度場(chǎng)假定 通常將焊接過(guò)程中的某一瞬間，焊接接頭中各點(diǎn)的溫度分布稱(chēng)為溫度場(chǎng)

14、。在焊接熱源作用下構(gòu)件上各點(diǎn)的溫度在不斷地變化，可以認(rèn)為達(dá)到某一極限熱狀態(tài)時(shí)，溫度場(chǎng)不再改變，這時(shí)的溫度場(chǎng)稱(chēng)為極限溫度場(chǎng)。1.1.3焊接應(yīng)力與變形產(chǎn)生的原因 產(chǎn)生焊接應(yīng)力與變形的因素很多，其中最根本的原因是焊件受熱不均勻，其次是由于焊縫金屬的收縮、金相組織的變化及焊件的剛性不同所致。另外，焊縫在焊接結(jié)構(gòu)中的位置、裝配焊接順序、焊接方法、焊接電流及焊接方向等對(duì)焊接應(yīng)力與變形也有一定的影響，下面著重介紹幾個(gè)主要因素。1.焊件的不均勻受熱焊件的焊接是一個(gè)局部的加熱過(guò)程，焊件上的溫度分布極不均勻，為了便于了解不均勻受熱時(shí)應(yīng)力與變形的產(chǎn)生，下面對(duì)不同條件下的應(yīng)力與變形進(jìn)行討論。 (1)不受約束的桿件在均

15、勻加熱時(shí)的應(yīng)力與變形 根據(jù)前面對(duì)變形知識(shí)的討論，不受約束的桿件在均勻加熱與冷卻時(shí)，其變形屬于自由變形，因此在桿件加熱過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生任何內(nèi)應(yīng)力，冷卻后也不會(huì)有任何殘余應(yīng)力和殘余變形。 (2)受約束的桿件在均勻加熱時(shí)的應(yīng)力與變形 根據(jù)前面對(duì)非自由變形情況的討論，受約束的桿件的變形屬于非自由變形，既存在外觀變形，也存在內(nèi)部變形。如果加熱溫度較低（TTs），則桿件中產(chǎn)生壓縮塑性變形，內(nèi)部變形由彈性變形和塑性變形兩部分組成，甚至全部由塑性變形組成（T600）。當(dāng)溫度恢復(fù)到原始溫度時(shí)，彈性變形恢復(fù)，塑性變形不可恢復(fù)，可能出現(xiàn)以下三種情況：a.如果桿件能充分自由收縮，那么桿件中只出現(xiàn)殘余變形而無(wú)殘余應(yīng)力；b

16、.如果桿件受絕對(duì)拘束，那么桿件中沒(méi)有殘余變形而存在較大的殘余應(yīng)力；c.如果桿件收縮不充分，那么桿件中既有殘余應(yīng)力又有殘余變形。 實(shí)際生產(chǎn)中的焊件，就與上述的第三種情況相同，焊后既有焊接應(yīng)力存在，又有焊接變形產(chǎn)生。(3)長(zhǎng)板條中心加熱（類(lèi)似于堆焊）引起的應(yīng)力與變形 如圖1-3a所示的長(zhǎng)度為L(zhǎng)0，厚度為的長(zhǎng)板條，材料為低碳鋼，在其中間沿長(zhǎng)度方向上進(jìn)行加熱，為簡(jiǎn)化討論，我們將板條上的溫度分為兩種，中間為高溫區(qū)，其溫度均勻一致；兩邊為低溫區(qū)，其溫度也均勻一致。 加熱時(shí)，如果板條的高溫區(qū)與低溫區(qū)是可分離的，高溫區(qū)將伸長(zhǎng)，低溫區(qū)不變，如圖1-3b,但實(shí)際上板條是一個(gè)整體，所以板條將整體伸長(zhǎng)，此時(shí)高溫區(qū)內(nèi)產(chǎn)

17、生較大的壓縮塑性變形和壓縮彈性變形。 冷卻時(shí)，由于壓縮塑性變形不可恢復(fù)，所以，如果高溫區(qū)與低溫區(qū)是可分離的，高溫區(qū)應(yīng)縮短，低溫區(qū)應(yīng)恢復(fù)原長(zhǎng)。但實(shí)際上板條是一個(gè)整體，所以板條將整體縮短，這就是板條的殘余變形。同時(shí)在板條內(nèi)部也產(chǎn)生了殘余應(yīng)力，中間高溫區(qū)為拉應(yīng)力，兩側(cè)低溫區(qū)為壓應(yīng)力。 (4)長(zhǎng)板條一側(cè)加熱（相當(dāng)于板邊堆焊）引起的應(yīng)力與變形，材質(zhì)均勻的鋼板，在其上邊緣快速加熱。假設(shè)鋼板由許多互不相連的窄條組成，則各窄條在加熱時(shí)將按溫度高低而伸長(zhǎng)。但實(shí)際上，板條是一整體，各板條之間是互相牽連、互相影響的，上一部分金屬因受下一部分金屬的阻礙作用而不能自由伸長(zhǎng)，因此產(chǎn)生了壓縮塑性變形。由于鋼板上的溫度分布是

18、自上而下逐漸降低，因此，鋼板產(chǎn)生了向下的彎曲變形。鋼板冷卻后，但實(shí)際上鋼板是一個(gè)整體，上一部分金屬要受到下一部分的阻礙而不能自由收縮，所以鋼板產(chǎn)生了與加熱時(shí)相反的殘余彎曲變形。 由上述討論可知：1）對(duì)構(gòu)件進(jìn)行不均勻加熱，在加熱過(guò)程中，只要溫度高于材料屈服點(diǎn)的溫度，構(gòu)件就會(huì)產(chǎn)生壓縮塑性變形，冷卻后，構(gòu)件必然有殘余應(yīng)力和殘余變形。2）通常，焊接過(guò)程中焊件的變形方向與焊后焊件的變形方向相反。3）焊接加熱時(shí)，焊縫及其附近區(qū)域?qū)a(chǎn)生壓縮塑性變形，冷卻時(shí)壓縮塑性變形區(qū)要收縮。如果這種收縮能充分進(jìn)行，則焊接殘余變形大，焊接殘余應(yīng)力??；若這種收縮不能充分進(jìn)行，則焊接殘余變形小而焊接殘余變形大。4）焊接過(guò)程中及

19、焊接結(jié)束后，焊件中的應(yīng)力分布都是不均勻的。焊接結(jié)束后，焊縫及其附近區(qū)域的殘余應(yīng)力通常是拉應(yīng)力。2.焊縫金屬的收縮焊縫金屬冷卻時(shí)，當(dāng)它由液態(tài)轉(zhuǎn)為固態(tài)時(shí)，其體積要收縮。由于焊縫金屬與母材是緊密聯(lián)系的，因此，焊縫金屬并不能自由收縮。這將引起整個(gè)焊件的變形，同時(shí)在焊縫中引起殘余應(yīng)力。另外，一條焊縫是逐步形成的，焊縫中先結(jié)晶的部分要阻止后結(jié)晶部分的收縮，由此也會(huì)產(chǎn)生焊接應(yīng)力與變形。 3.金屬組織的變化鋼在加熱及冷卻過(guò)程中發(fā)生相變，可得到不同的組織，這些組織的比容也不一樣，由此也會(huì)造成焊接應(yīng)力與變形。4.焊件的剛性和拘束焊件的剛性和拘束對(duì)焊接應(yīng)力和變形也有較大的影響。剛性是指焊件抵抗變形的能力；而拘束是焊

20、件周?chē)矬w對(duì)焊件變形的約束。剛性是焊件本身的性能，它與焊件材質(zhì)、焊件截面形狀和尺寸等有關(guān)；而拘束是一種外部條件。焊件自身的剛性及受周?chē)木惺潭仍酱?，焊接變形越小，焊接?yīng)力越大；反之，焊件自身的剛性及受周?chē)木惺潭仍叫?，則焊接變形越大，而焊接應(yīng)力越小。第二章 對(duì)根焊的認(rèn)識(shí)為了把影響焊接變形因素的分析具體化，我們從管道焊接中最為基礎(chǔ)的根焊環(huán)節(jié)引入對(duì)焊接變形影響因素的分析與改進(jìn)。2.1幾種常用的根焊焊接工藝2.1.1手工電弧向上焊手工電弧向上焊是我國(guó)在20世紀(jì)70年代普遍采用的根焊工藝，受到當(dāng)時(shí)工業(yè)水平限制，不具備大口徑油氣管道的生產(chǎn)能力，當(dāng)時(shí)最大的油氣管道直徑為720mm。在當(dāng)時(shí)的條件下焊接難

21、度非常大，根焊通常是由最優(yōu)秀的焊工施焊，否則很難獲得合格的焊縫。目前手工電弧向上焊已經(jīng)在大口徑的管道施工中被淘汰，只在城市燃?xì)獾刃】趶?，短距離油氣管道施工中還有應(yīng)用。2.1.2手工向下焊工藝采用手工向下焊工藝焊條可以分為兩類(lèi)：一類(lèi)是高纖維素型的，這類(lèi)焊條焊接工藝性好，焊接過(guò)程中可以采用大電流快速焊接，在各種位置單面焊雙面成型效果好，非常適合于根焊和熱焊，具有代表性的是奧地利伯樂(lè)公司生產(chǎn)的BOHLER FOX CEL(AWS A5.1-91 E6010）和美國(guó)林肯公司生產(chǎn)的FLEETWELD 5P+（AWS A5.1-91 E6010）。另一類(lèi)是鐵粉低氫型下向焊條，該焊條鐵水流動(dòng)性和浸潤(rùn)性好、全

22、位置焊時(shí)不易下淌、焊后焊縫金屬韌性好、抗裂性好，適于各層的下向焊接，有代表性的如奧地利伯樂(lè)公司生產(chǎn)的BOHLER FOX BVD 85（AWS A5.5-96 E8018-G）焊條、美國(guó)林肯公司生產(chǎn)的LINCOLN LH D80（AWS A5.5-96 E8018-G）焊條。手工向下焊與手工電弧焊相比具有焊接速度快、焊接質(zhì)量高、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但是在追求高效焊接的管道施工中，此種焊接工藝已經(jīng)被逐漸淘汰，只在管道維搶修和管道連頭時(shí)應(yīng)用。2.1.3半自動(dòng)焊根焊半自動(dòng)焊根焊主要是CO2氣體保護(hù)半自動(dòng)焊，屬于下向焊方法。2.1.3.1CO2氣體保護(hù)半自動(dòng)焊具有典型代表的是美國(guó)林肯公司STT表面張力焊。

23、STT是一種以表面張力溶滴為過(guò)渡力的熔化極CO2氣體保護(hù)電弧焊。STT表面張力焊非常適合管道的根焊，具有焊接速度快、背面成型好等優(yōu)點(diǎn)。但STT對(duì)管口的組對(duì)質(zhì)量要求高，受現(xiàn)場(chǎng)施工風(fēng)的影響較大，影響焊接質(zhì)量。我國(guó)在20世紀(jì)90年代成功的將STT表面張力焊運(yùn)用到國(guó)內(nèi)的某管道工程中。目前這種工藝已經(jīng)成為我國(guó)陸地和海洋管道焊接的一種重要的焊接方法。2.1.3.2半自動(dòng)焊工藝的坡口形式 半自動(dòng)焊的坡口通常采用V型坡口和U型坡口如圖1所示。2.1.4自動(dòng)焊根焊自動(dòng)焊根焊方法采用自動(dòng)內(nèi)焊機(jī)或外焊機(jī)單面焊雙面成型。2.1.4.1利用內(nèi)焊機(jī)進(jìn)行根焊 管道內(nèi)環(huán)縫自動(dòng)焊機(jī)是輸油輸氣管道焊接工程的專(zhuān)用設(shè)備，它主要被用來(lái)

24、完成對(duì)口和內(nèi)部根焊，中國(guó)石油管道科學(xué)研究院研制的PIW48內(nèi)焊機(jī)平均分布8個(gè)焊接單元，以1219mm17.4mm為例,一道口從對(duì)口到根焊平均時(shí)間為3分鐘左右。管道內(nèi)環(huán)縫自動(dòng)焊機(jī)具有自動(dòng)化程度高和焊接質(zhì)量好以及大幅度提高焊接效率的基本特點(diǎn)，是實(shí)現(xiàn)管道高效率焊接的必備的專(zhuān)用設(shè)備。內(nèi)焊機(jī)進(jìn)行根焊的坡口形式內(nèi)焊機(jī)進(jìn)行根焊采用的坡口形式為復(fù)合坡口，如圖2所示。 2.1.4.2自動(dòng)外焊機(jī)單面焊雙面成型根焊意大利PWT公司生產(chǎn)的CWS.02NRT單面焊雙面成型解決了不用背面襯墊的單面焊雙面成型的根焊問(wèn)題，根焊厚度可以達(dá)到45毫米，能夠焊接的的坡口寬度較大，且易于實(shí)現(xiàn)5度8度小坡口角度的焊接操作，焊接效率較快

25、，1219mm的鋼管根焊大約需要10min左右。由于采用氣體保護(hù)，焊接過(guò)程中對(duì)環(huán)境風(fēng)速比較敏感，施工過(guò)程中需要配備防風(fēng)棚等防風(fēng)措施。隨著我國(guó)管道建設(shè)快速發(fā)展，全自動(dòng)焊根焊工藝得到了迅猛的發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)成為了大口徑管道焊接根焊的趨勢(shì)。2.2根焊的應(yīng)用前面介紹了國(guó)內(nèi)管道焊接中根焊的常用焊接工藝，隨著工業(yè)技術(shù)的不斷提高，管道建設(shè)越來(lái)越趨于向長(zhǎng)距離，高工作壓力，大口徑、厚壁化方向發(fā)展，這就需要研發(fā)高質(zhì)量的和高效率的焊接方法與之匹配。這對(duì)于提高我國(guó)管道施工的技術(shù)水平和提升市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力甚至我國(guó)的能源安全都有著重要的意義。第三章 管材根焊的變形因素分析管道的根焊通常采用熔化焊方法,是在接頭處局部加熱,使被焊接

26、材料與添加的焊接材料熔化成液體金屬,形成熔池,隨后冷卻凝固成固態(tài)金屬,使原來(lái)分開(kāi)的鋼材連接成整體。由于焊接加熱,融合線以外的母材產(chǎn)生膨脹,接著冷卻,熔池金屬和熔合線附近母材產(chǎn)生收縮,因加熱、冷卻這種熱變化在局部范圍急速地進(jìn)行,膨脹和收縮變形均受到拘束而產(chǎn)生塑性變形。這樣,在焊接完成并冷卻至常溫后該塑性變形殘留下來(lái)。3.1焊接變形的影響因素 根焊的焊接變形可以分為在焊接熱過(guò)程中發(fā)生的瞬態(tài)熱變形和在室溫條件下的殘余變形。全面分析各因素對(duì)根焊焊接變形的影響，掌握其影響規(guī)律，即可采取合理的控制措施。3.1.1材料因素的影響 材料對(duì)于根焊焊接變形的影響不僅和焊接材料有關(guān),而且和母材也有關(guān)系,材料的熱物理

27、性能參數(shù)和力學(xué)性能參數(shù)都對(duì)焊接變形的產(chǎn)生過(guò)程有重要的影響。其中熱物理性能參數(shù)的影響主要體現(xiàn)在熱傳導(dǎo)系數(shù)上,一般熱傳導(dǎo)系數(shù)越小,溫度梯度越大,焊接變形越顯著。力學(xué)性能對(duì)焊接變形的影響比較復(fù)雜,熱膨脹系數(shù)的影響最為明顯,隨著熱膨脹系數(shù)的增加焊接變形相應(yīng)增加。同時(shí)材料在高溫區(qū)的屈服極限和彈性模量及其隨溫度的變化率也起著十分重要的作用,一般情況下,隨著彈性模量的增大,焊接變形隨之減少而較高的屈服極限會(huì)引起較高的殘余應(yīng)力,焊接結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)的變形能量也會(huì)因此而增大,從而可能促使脆性斷裂,此外,由于塑性應(yīng)變較小且塑性區(qū)范圍不大,因而焊接變形得以減少。 3.1.2結(jié)構(gòu)因素的影響焊接結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)對(duì)根焊焊接變形的影響最

28、關(guān)鍵,也是最復(fù)雜的因素。其總體原則是隨拘束度的增加,焊接殘余應(yīng)力增加,而焊接變形則相應(yīng)減少。結(jié)構(gòu)在焊接變形過(guò)程中,工件本身的拘束度是不斷變化著的,因此自身為變拘束結(jié)構(gòu),同時(shí)還受到外加拘束的影響。一般情況下復(fù)雜結(jié)構(gòu)自身的拘束作用在焊接過(guò)程中占據(jù)主導(dǎo)地位,而結(jié)構(gòu)本身在焊接過(guò)程中的拘束度變化情況隨結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度的增加而增加,在設(shè)計(jì)焊接結(jié)構(gòu)時(shí),常需要采用筋板或加強(qiáng)板來(lái)提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和剛性,這樣做不但增加了裝配和焊接工作量,而且在某些區(qū)域,如筋板、加強(qiáng)板等,拘束度發(fā)生較大的變化,給焊接變形分析與控制帶來(lái)了一定的難度。因此,在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)針對(duì)結(jié)構(gòu)板的厚度及筋板或加強(qiáng)筋的位置數(shù)量等進(jìn)行優(yōu)化,對(duì)減小焊接變形有著

29、十分重要的作用。3.1.3工藝因素的影響焊接工藝對(duì)根焊焊接變形的影響方面很多,例如焊接方法、焊接輸入電流電壓量、構(gòu)件的定位或固定方法、焊接順序、焊接胎架及夾具的應(yīng)用等。在各種工藝因素中,焊接順序?qū)Ω负附幼冃蔚挠绊戄^為顯著,一般情況下,改變焊接順序可以改變殘余應(yīng)力的分布及應(yīng)力狀態(tài),減少根焊焊接變形。多層焊以及焊接工藝參數(shù)也對(duì)焊接變形有十分重要的影響。焊接工作者在長(zhǎng)期研究中,總結(jié)出一些經(jīng)驗(yàn),利用特殊的工藝規(guī)范和措施,達(dá)到減少焊接殘余應(yīng)力和變形,改善殘余應(yīng)力分布狀態(tài)的目的。3.1.4焊縫截面積的影響焊縫截面積是指熔合線范圍內(nèi)的金屬面積。焊縫面積越大，冷卻時(shí)收縮引起的塑性變形量越大，焊縫面積對(duì)縱向、

30、橫向及角變形的影響趨勢(shì)是一致的，而且是起主要的影響，因此，在板厚相同時(shí)，坡口尺寸越大，收縮變形越大。3.1.5焊接熱輸入的影響一般情況下，熱輸入大時(shí)，加熱的高溫區(qū)范圍大，冷卻速度慢，使接頭塑性變形區(qū)增大。3.1.6焊接方法的影響多種焊接方法的熱輸入差別較大，在建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接常用的幾種焊接方法中，除電渣以外，埋弧焊熱輸入最大，在其他條件如焊縫斷面積等相同情況下，收縮變形最大，手工電弧焊居中，CO2氣體保護(hù)焊最小。3.1.7接頭形式的影響在焊接熱輸入、焊縫截面積、焊接方面等因素條件相同時(shí)，不同的接頭形式對(duì)縱向、橫向、角變形量有不同的影響。常用的焊縫形式有堆焊、角焊、對(duì)接焊。1)表面堆焊時(shí)，焊縫金屬

31、的橫向變形不但受到縱橫向母材的約束，而且加熱只限于工件表面一定深度而使焊縫的收縮同時(shí)受到板厚、深度、母材方面的約束，因此，變形相對(duì)較小。2)T形角接接頭和搭接接頭時(shí)，其焊縫橫向收縮情況與堆焊相似，其橫向收縮值與角焊縫面積成正比，與板厚成反比。3)對(duì)接接頭在單道(層)焊的情況下，其焊縫橫向收縮比堆焊和角焊大，在單面焊時(shí)坡口角度大，板厚上、下收縮量差別大，因而角變形較大。雙面焊時(shí)情況有所不同，隨著坡口角度和間隙的減小，橫向收縮減小，同時(shí)角變形也減小。3.1.8焊接層數(shù)的影響1)橫向收縮：在對(duì)接接頭多層焊接時(shí)，第一層焊縫的橫向收縮符合對(duì)接焊的一般條件和變形規(guī)律，第一層以后相當(dāng)于無(wú)間隙對(duì)接焊，接近于蓋

32、面焊道時(shí)與堆焊的條件和變形規(guī)律相似，因此，收縮變形相對(duì)較小。2)縱向收縮：多層焊接時(shí)，每層焊縫的熱輸入比一次完成的單層焊時(shí)的熱輸入小得多，加熱范圍窄，冷卻快，產(chǎn)生的收縮變形小得多，而且前層焊縫焊成后都對(duì)下層焊縫形成約束，因此，多層焊時(shí)的縱向收縮變形比單層焊時(shí)小得多，而且焊的層數(shù)越多，縱向變形越小。 第四章 對(duì)焊接變形因素的控制 在工程焊接實(shí)踐中，由于各種條件因素的綜合作用，焊接殘余變形的規(guī)律比較復(fù)雜，了解各因素單獨(dú)作用的影響便于對(duì)工程具體情況做具體的綜合分析。所以，了解焊接變形產(chǎn)生的原因和影響因素，則可以采取以下控制變形的措施：4.1設(shè)計(jì)措施4.1.1對(duì)焊縫位置合理安排 在設(shè)計(jì)焊接結(jié)構(gòu)時(shí),安排

33、焊縫盡可能對(duì)稱(chēng)于截面中性軸,或者使焊縫接近中性軸,這對(duì)于減少梁、柱等類(lèi)型結(jié)構(gòu)的撓曲變形有良好的效果。4.1.2減少不必要的焊縫在設(shè)計(jì)焊接結(jié)構(gòu)時(shí),合理地選擇筋板的形狀,適當(dāng)?shù)匕才沤畎宓奈恢?力求焊縫數(shù)量少,避免不必要的焊縫,從而減小根焊焊接變形。4.1.3對(duì)焊接的尺寸和形式進(jìn)行合理選擇 焊接尺寸直接關(guān)系到焊接工作量和根焊焊接變形的大小。焊縫尺寸大,不但焊接量大,而且焊接變形也大,因此,在保證結(jié)構(gòu)的承載能力的條件下,設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量采用較小的焊縫尺寸。對(duì)于受力較大的丁字接頭和十字接頭,在保證相同的強(qiáng)度條件下,采用開(kāi)坡口的焊縫可以比一般角焊縫減少焊縫金屬,對(duì)減小變形有利。4.2工藝措施 工藝措施是指在焊

34、接構(gòu)件生產(chǎn)制造過(guò)程中所采用的一系列措施,將其分為焊前預(yù)防措施、焊接過(guò)程中的控制措施和焊后矯正措施。 4.2.1焊前預(yù)防措施 焊前預(yù)防主要包括預(yù)防變形、預(yù)拉伸法和剛性固定組裝法。 預(yù)變性法或稱(chēng)反變形法是根據(jù)預(yù)測(cè)的焊接變形大小和方向,在待焊工件裝配時(shí)造成與焊接殘余變形大小相當(dāng)、方向相反的預(yù)變形量(反變形量),焊后焊接殘余變形抵消了預(yù)變形量,使構(gòu)件恢復(fù)到設(shè)計(jì)要求的幾何形狀和尺寸。 預(yù)拉伸法多用于薄板平面構(gòu)件,焊接時(shí)在薄板有預(yù)張力或有預(yù)先熱膨脹量的情況下進(jìn)行的。焊后,去除預(yù)拉伸或加熱,薄板恢復(fù)初始狀態(tài),可有效地降低焊接殘余應(yīng)力,控制焊接變形。預(yù)熱的作用在于減小溫度梯度,不同的預(yù)熱溫度在降低殘余應(yīng)力的作

35、用方面有一定的差別,預(yù)熱溫度在300 400 時(shí),在鋼中殘余應(yīng)力水平降低了30 %50 %,當(dāng)預(yù)熱溫度為200 時(shí),殘余應(yīng)力水平降低了10 %20 %。 剛性固定組裝法是采用夾具或剛性胎具將被焊構(gòu)件盡可能地固定,可有效地控制待焊構(gòu)件的角變形與彎曲變形等。 4.2.2焊接過(guò)程控制措施 焊接過(guò)程控制主要方法有采用合理的焊接方法和焊接規(guī)范參數(shù),選擇合理的焊接順序以及采用隨焊兩側(cè)加熱、隨焊碾壓、隨焊跟蹤激冷等措施。選擇線能量較低的焊接方法以及合理地控制焊接規(guī)范參數(shù)可以有效地防止根焊焊接變形。采用隨焊兩側(cè)加熱、隨焊碾壓、隨焊跟蹤激冷等措施可以降低殘余應(yīng)力和減小焊接變形。采用隨焊兩側(cè)加熱,橫向應(yīng)變、縱向應(yīng)

36、變和最大剪切應(yīng)變的分布更加均勻,變化更加平緩,起到減小焊接殘余應(yīng)力和變形的作用。隨焊碾壓法由于設(shè)備復(fù)雜、使用不便等原因,在生產(chǎn)應(yīng)用中受到一定的限制,但該方法在提高焊接變形等方面具有理想的效果。隨焊激冷法能夠顯著地降低殘余應(yīng)力和減少焊接變形。 焊接順序?qū)附託堄鄳?yīng)力和變形的產(chǎn)生影響較大,在采用不同的焊接順序時(shí),可以改變殘余應(yīng)力的分布規(guī)律,但對(duì)殘余應(yīng)力整體幅值的降低作用不大,同時(shí)該方法對(duì)于控制焊接變形有較大的作用,尤其在多道焊中,作用更加明顯。 4.2.3焊后矯正措施 當(dāng)構(gòu)件焊接后,只能通過(guò)矯正措施來(lái)減小或消除已發(fā)生的殘余變形。焊后矯正措施主要分為加熱矯正法和機(jī)械矯正法。加熱矯正法又分為整體加熱和

37、局部加熱。 整體熱矯正是指將整體構(gòu)件加熱至鍛造溫度以上再進(jìn)行矯正的方法,可用以消除較大的形狀偏差。但是焊后整體加熱容易引起冶金方面的副作用,限制了該方法的進(jìn)一步推廣及應(yīng)用。 局部熱矯正多采用火焰對(duì)焊接構(gòu)件局部加熱,在高溫處,材料的熱膨脹受到構(gòu)件本身剛性制約,產(chǎn)生局部壓縮塑性變形,冷卻后收縮,抵消了焊后部位的伸長(zhǎng)變形,達(dá)到矯正目的,火焰加熱法采用一般的氣焊焊炬,不需要專(zhuān)門(mén)的設(shè)備,方法簡(jiǎn)便靈活,因此在生產(chǎn)上廣為應(yīng)用。 此外,還有利用機(jī)械力或沖擊能等進(jìn)行焊接變形矯正,包括靜力加壓矯直法、焊縫滾壓法、錘擊法等。 4.2.4焊接應(yīng)力的控制措施 構(gòu)件焊接時(shí)產(chǎn)生瞬時(shí)內(nèi)應(yīng)力，焊接后產(chǎn)生殘余應(yīng)力，并同時(shí)產(chǎn)生殘余

38、變形，這是不可避免的現(xiàn)象。根焊焊接變形的矯正費(fèi)時(shí)費(fèi)工，構(gòu)件制造和安裝企業(yè)首先考慮的是控制變形，往往對(duì)控制殘余應(yīng)力較為忽視，常用一些卡具、支撐以增加剛性來(lái)控制變形，與此同時(shí)實(shí)際上增大了焊后的殘余應(yīng)力。對(duì)于一些本身剛性較大的構(gòu)件，如板厚較大，截面本身的慣性矩較大時(shí)，雖然變形會(huì)較小，但卻同時(shí)產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力，甚至產(chǎn)生裂紋。因此，對(duì)于一些構(gòu)件截面厚大，焊接節(jié)點(diǎn)復(fù)雜，拘束度大，鋼材強(qiáng)度級(jí)別高，使用條件惡劣的重要結(jié)構(gòu)要注意焊接應(yīng)力的控制?？刂茟?yīng)力的目標(biāo)是降低其峰值使其均勻分布，其控制措施有以下幾種：1)減小焊縫尺寸：焊接內(nèi)應(yīng)力由局部加熱循環(huán)而引起，為此，在滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求的條件下，不應(yīng)加大焊縫尺寸和層高，要轉(zhuǎn)

39、變焊縫越大越安全的觀念。2)減小焊接拘束度：拘束度越大，焊接應(yīng)力越大，首先應(yīng)盡量使焊縫在較小拘束度下焊接，盡可能不用剛性固定的方法控制變形，以免增大焊接拘束度。3)采取合理的焊接順序：在焊縫較多的組裝條件下，應(yīng)根據(jù)構(gòu)件形狀和焊縫的布置，采取先焊收縮量較大的焊縫，后焊收縮量較小的焊縫；先焊拘束度較大而不能自由收縮的焊縫，后焊拘束度較小而能自由收縮的焊縫的原則。4)降低焊件剛度，創(chuàng)造自由收縮的條件。5)錘擊法減小焊接殘余應(yīng)力：在每層焊道焊完后立即用圓頭敲渣小錘或電動(dòng)錘擊工具均勻敲擊焊縫金屬，使其產(chǎn)生塑性延伸變形，并抵消焊縫冷卻后承受的局部拉應(yīng)力。但根部焊道、坡口內(nèi)及蓋面層與母材坡口面相鄰的兩側(cè)焊道

40、不宜錘擊，以免出現(xiàn)熔合線和近縫區(qū)的硬化或裂紋。高強(qiáng)度低合金鋼，如屈服強(qiáng)度級(jí)別大于345MPa時(shí)，也不宜用錘擊法消除焊接殘余應(yīng)力。6)采用拋丸機(jī)除銹：通過(guò)鋼丸均勻敲打來(lái)抵消構(gòu)件的焊接應(yīng)力。綜上所述，在施工過(guò)程中，一定要了解焊接工藝，采用合理的焊接方法和控制措施，以便減少和消除焊后殘余應(yīng)力和殘余變形。在實(shí)踐中不斷總結(jié)、積累焊接經(jīng)驗(yàn)，綜合分析考慮的各種因素，可以保證工程中的焊接質(zhì)量。 4.2.5對(duì)以上工藝措施細(xì)節(jié)的控制 在工程焊接實(shí)踐中，由于各種條件因素的綜合作用，焊接殘余變形的規(guī)律比較復(fù)雜，了解各因素單獨(dú)作用的影響便于對(duì)工程具體情況做具體的綜合分析。所以，了解根焊焊接變形產(chǎn)生的原因和影響因素，則可

41、以采取以下控制變形的措施：1)減小焊縫截面積，在得到完整、無(wú)超標(biāo)缺陷焊縫的前提下，盡可能采用較小的坡口尺寸(角度和間隙)。2)對(duì)屈服強(qiáng)度345MPA以下，淬硬性不強(qiáng)的鋼材采用較小的熱輸入，盡可能不預(yù)熱或適當(dāng)降低預(yù)熱、層間溫度；優(yōu)先采用熱輸入較小的焊接方法，如CO2氣體保護(hù)焊。3)厚板焊接盡可能采用多層焊代替單層焊。4)在滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求情況下，縱向加強(qiáng)肋和橫向加強(qiáng)肋的焊接可采用間斷焊接法。5)雙面均可焊接操作時(shí)，要采用雙面對(duì)稱(chēng)坡口，并在多層焊時(shí)采用與構(gòu)件中和軸對(duì)稱(chēng)的焊接順序。6)T形接頭板厚較大時(shí)采用開(kāi)坡口角對(duì)接焊縫。7)采用焊前反變形方法控制焊后的角變形。8)采用剛性?shī)A具固定法控制焊后變形。9)

42、采用構(gòu)件預(yù)留長(zhǎng)度法補(bǔ)償焊縫縱向收縮變形，如H形縱向焊縫每米長(zhǎng)可預(yù)留0.5mm0.7mm。10)對(duì)于長(zhǎng)構(gòu)件的扭曲，主要靠提高板材平整度和構(gòu)件組裝精度，使坡口角度和間隙準(zhǔn)確，電弧的指向或?qū)χ袦?zhǔn)確，以使焊縫角度變形和翼板及腹板縱向變形值與構(gòu)件長(zhǎng)度方向一致。11)在焊縫眾多的構(gòu)件組焊時(shí)或結(jié)構(gòu)安裝時(shí)，要采取合理的焊接順序。12)設(shè)計(jì)上要盡量減少焊縫的數(shù)量和尺寸，合理布置焊縫，除了要避免焊縫密集以外，還應(yīng)使焊縫位置盡可能靠近構(gòu)件的中和軸，并使焊縫的布置與構(gòu)件中和軸相對(duì)稱(chēng)。4.3對(duì)以上控制措施的分析 整體分析上述根焊焊接變形的影響因素與減小根焊焊接變形的措施,基本了解根焊焊接變形的原因及變形的種類(lèi),針對(duì)焊接

43、變形的原因和控制措施從焊接工藝等方面進(jìn)行改進(jìn),有效防止減少焊接變形所帶來(lái)的危害。第五章 改進(jìn)方案的可行性探究5.1施工案例川東北至川西輸氣管道工程?hào)|起川東北的普光首站，西至德新末站。是實(shí)現(xiàn)川東北普光氣田、通南巴氣田和川西幾大氣源和市場(chǎng)的連通和氣源調(diào)配的大動(dòng)脈。其中包括一條主干線和一條支線，全長(zhǎng)430km。線路敷設(shè)過(guò)程多采用直徑為1016的工藝管線組對(duì)焊接而成，焊接是其施工過(guò)程中的一道主要工序。焊接質(zhì)量的好壞與所在地的環(huán)境條件，現(xiàn)場(chǎng)的施工條件，設(shè)備的先進(jìn)程度，配備人員的操作水平等有著直接的關(guān)系，這里我們對(duì)影響焊接變形因素控制改進(jìn)措施的可行性進(jìn)行分析與研究，探討其中的幾個(gè)主要因素。5.2改進(jìn)方案的可行性探究5.2.1設(shè)計(jì)措施改進(jìn)的可行性探究安排