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关于焊接钢管残余应力的思考Ξ杨 树 贵(河南省煤气 (集团) 有限责任公司)摘 要 阐述了焊接钢管在制造过程中残余应力 ( 内应力) 产生的原因及种类, 分析了这些残余应力对钢制管道的性能影响, 提出了几种如何消除钢管内有害的残余应力的方法。主题词 钢管焊接残余应力1残余应力的产生焊接钢管制造一般要经过拆卷、矫直、修 边、成型、焊接等主要工序以及探伤、平头、试 压等一系列辅助工序。 板材在轧制过程中已 经产生了一部分残余应力, 亦即在制管前板材内已存在残余应力。 拆卷、矫直、修边等工 艺过程使得在板材中已经存在的残余应力进 行了重新分布, 并重新产生了小部分残余应 力。 这里着重对成型和焊接两道工序中产生 残余应力情况进行简单分析。1. 1由于塑性变形而产生的残余应力 任何物体受到外力作用而变形时, 其内部质点的相对位置都要发生变化, 与此同时, 质点间的相互作用力也发生了变化, 这是产 生残余应力的根本原因。板材在成型过程中要经历弹性变形阶段 和弹性—塑性变形阶段。在弹性变形阶段, 质 点的相对位置变化量未超出其自身平衡位置 的极限, 材料服从虎克定律:Ρ= E Ε;Ρ—应力;E —弹性模量;Ε—材料应变。 外力与由此而产生的材料的内应力相平衡, 当外力消失时, 弹性变形随之消失, 材料 的内应力也随之消失, 弹性—塑性阶段则不然, 在这一阶段, 质点已超出平衡位置极限,在新的位置上重新处于稳定状态, 这时如果 外力消失, 变形量不能完全消失, 而只是恢复 其弹性变形部分, 塑性变形保留下来, 内应力 也不完全消失, 部分地残存在材料内 (残余应力)。 焊管的成型可以当作纯弯曲塑性变形过程来分析。从断面看, 其上层由于受到拉应力 作用而产生塑性变形, 而下层由于受到压应 力作用亦产生塑性变形, 中性层是弹性变形区, 如图 1 所示。图 1 板材弯曲时的应力分布情况在弹性变形阶段, 断面上任何一点 A线应变:Ε= Y ?Θ Ε—断面上任一点的纵向线应变;的Y —A点 所 在 层 上 纤 维 距 中 性 层 的 距离;Θ—中性层上的纤维在变形后的曲率半Ξ 杨树贵: 1970 年毕业于哈尔滨工业大学机械工程系。 高级工程师, 现任河南省煤气 ( 集团) 有限责任公司副董事长兼总经理。第 21 卷第 2 期杨树贵: 关于焊接钢管残余应力的思考·11·径。把材料急剧加热后, 急剧冷却时, 材料的外表和内部将产生很大的温差, 因而产生热 应力, 这种热应力在弹性范围内与温差成比 例关系, 温差大到热应力超过材料的屈服点 时, 将产生塑性变形, 这样当温差消失时, 就由上式可以看出, 在焊管口径相同的情况下, 板材越厚, 距中性层越远处, 其线应变 越大; 在同样壁厚情况下, 焊管口径越小, 线 应变越大。在这种塑性弯曲状态下, 去掉外力后, 虽 有 少量的变形 ( 弹性变形部分) 可以恢复, 而 塑性变形部分不能恢复, 去掉外力后, 在材料 断面上的应力分布如图 2 所示, 这种内应力 呈现出上面 是 压 缩, 其 下 是 拉 伸, 再 下 是 压缩, 最下是拉伸的分布情况。会产生残余应力。 假定温差 t=200℃, 材料的线膨胀系数 Α= 1. 2 × 105 , 弹 性 模 量 E =20000k g?mm 2 , 这时热应力为 200×1. 2×10548k g ?mm 2≈ 480M P a, 如果材料的屈服点=在这个数值以下, 则必然会产生残余应力。产 生 残 余 应 力 的 最 小 温 差 叫 做 临 界 温 差, 如果把材料急剧加热, 其内部与外表的温 差在临界温差以上, 这时则会产生外表拉伸, 内部压缩的残余应力, 钢管的焊接过程正是 急剧冷却的过程, 焊道部分急剧受热, 这时将产生拉伸的残余应力, 如图 3 所示。图 2 塑性变形的内应力分布塑性变形产生的内应力与外力的关系目前还不能准确地用一公式直接表示出来, 一 般采用机械测定法或 X 射线测定法进行实际测定, 而对内应力的测定又不象对普通应力测定那样简单, 因为内应力的产生必定伴 随着应变硬化和淬火硬化等材质的变化, 要把两者分开是有困难的。有的文献指出, 使金 属材料塑性变形时所施加的能量, 约有 10%～ 15% 转化为内应力弹性能。1. 2钢管焊接时产生的内应力 钢管的焊接一般都采用熔化焊的方式。熔化焊的实质是通过加热使母材和焊缝金属形成共同的晶粒组织, 达到原子间的结合。钢 管的熔化焊一般都要经过加热、熔化、冶金反应、结晶、固态相变等过程。 焊接过程产生残余应力的原因有以下几点:( 1) 由于热应力而产生的不均匀塑性变 形, 从而产生出残余应力。图 3 钢板焊接时残余应力的分布(2) 相变时产生的残余应力随着热源的离开, 局部熔化的金