焊接变形对金属管道连接强度的影响及控制方法研究

焊接变形对金属管道连接强度的影响及控制方法研究

朱国文、郭洪涛、吕文军

吉林石油集团工程建设有限责任公司  吉林松原  138000

摘要：金属管道连接在工程领域中具有重要的应用价值，而焊接是常见的连接方式之一。然而，在焊接过程中难免会发生焊接变形，这种变形会对金属管道连接的强度和稳定性产生负面影响。因此，探讨焊接变形对金属管道连接强度的影响及相应的控制方法显得十分必要。通过深入研究焊接变形机理和有效的控制手段，可以提升金属管道连接的质量水平，保障工程结构的安全性。

关键词：焊接变形；金属管道；连接强度

引言

焊接变形作为影响金属管道连接质量的关键因素之一，其对连接强度的影响机理涵盖了多个方面，包括应力集中、弯曲和扭转、焊缝裂纹等。然而，通过合理的控制手段，可以有效降低焊接变形对金属管道连接强度的不利影响。预热、后热处理、焊接顺序选择、约束方式优化等控制方法可以在一定程度上减小焊接变形并保证连接的质量和持久性。

1焊接变形的原因

焊接变形是指在进行金属焊接过程中，由于高温作用和残余应力导致工件形状或尺寸发生改变的现象。焊接过程中，熔化的金属会在冷却过程中发生收缩，导致焊缝两侧产生拉伸应力。这种拉伸应力会使焊接工件产生形变，例如长度缩短或弯曲。在焊接过程中，焊接区域的温度分布不均匀，会导致焊缝两侧形成温度梯度。不同部位的金属存在不同的热膨胀系数，因此温度梯度会引起焊接件内部产生应力，导致变形发生。焊接件在焊接过程中通常被夹具或其他约束装置固定，以确保焊接位置和尺寸的精确性。然而，这种约束会限制焊接部分自由变形，导致焊接时产生的残余应力无法完全释放，从而导致变形。如果焊接序列选择不当或者焊接方向不合适，可能导致焊接过程中产生较大的变形，影响焊接件的连接强度。

2焊接变形对金属管道连接强度的影响机理

焊接变形对金属管道连接强度的影响机理是多方面的，焊接变形会导致焊缝周围产生应力集中现象，焊接过程中产生的拉伸或压缩变形会在焊接区域周围形成高应力区域，并且这些应力往往集中在焊缝的两端和焊接件交界处。高应力区域容易引发应力集中现象，使焊接部位成为破裂的薄弱点，从而降低了金属管道连接的强度。焊接变形还可以引起金属管道的弯曲和扭转。焊接过程中产生的变形会导致管道弯曲或扭转，从而改变了其原始设计的几何形状和尺寸。这些形状变化会导致管道负载分布不均匀，增加了管道受外力作用时发生变形和破坏的风险。焊接过程中由于应力和应变的集中，焊接区域可能会出现裂纹。焊接变形会引入残余应力，特别是在焊接较大管道时，焊接变形可能会导致沉重的残余应力，进一步增加裂纹扩展的可能性。裂纹的存在会削弱金属管道的连接强度并可能导致泄漏或断裂。焊接变形会改变金属管道的初始几何形状和尺寸，进而影响加载方式。例如，焊接变形可能会导致管道的相对位置发生偏移或扭曲，使得管道在受到负载时无法正常传递力量，从而降低了金属管道连接的强度和稳定性。

3控制焊接变形的方法

3.1预热和后热处理

预热是在进行焊接之前对工件进行加热的过程，通过预热，可以有效降低焊接区域的温差，减少热应力和冷却速度的差异，从而缓解焊接过程中因热收缩引起的变形。预热还有利于使材料结构更加均匀，减少材料内部应力，提高材料的塑性，有助于减少焊接变形的发生。预热温度和时间的控制应根据不同金属材料的性质和焊接情况而定，以确保预热效果最大化。后热处理是在焊接完成后对焊缝进行加热或保温的过程，通过适当的后热处理，可以释放焊接产生的残余应力，改善金属组织结构，减少变形的可能性。后热处理还可以提高焊缝的强度和耐腐蚀性，延长金属管道连接的使用寿命。因此，在焊接过程中必须充分重视后热处理的重要性，确保焊接连接的质量和稳定性。

3.2焊接顺序和方向选择

在进行焊接时，合理选择焊接的顺序和方向是至关重要的。通常建议从中间向两端对称焊接，逐步进行多道次的焊接。这种焊接顺序可以有效地分布焊接区域的热量和相互作用应力，减轻焊接过程中产生的应力集中现象，从而降低变形的可能性。此外，选择适当的焊接方向也能够减少变形，保持焊接件的稳定性和几何形状。因此，在进行焊接作业时，务必注意选择合适的焊接顺序和方向，以确保焊接质量和减少变形的风险。通过合理的焊接顺序和方向选择，可以有效控制焊接变形，提高焊接质量，确保焊接件的稳定性和可靠性。

3.3夹具和约束装置的设计和使用

夹具和约束装置在焊接过程中发挥着至关重要的作用，可以有效控制工件的定位和固定，减少焊接变形的发生。设计合理的夹具和约束装置应考虑到工件的几何形状、焊接工艺和变形产生的原因等因素。通过正确使用夹具和约束装置，可以限制工件在焊接过程中的运动，防止其受到外部力的影响而产生变形。同时，夹具和约束装置还能确保焊接位置和尺寸的稳定性，提高焊接质量和连接强度。在设计夹具和约束装置时，需要注意不要过度约束，以免引起额外的变形。

3.4数值模拟和预测

数值仿真软件的应用为焊接变形的研究和控制提供了有力的工具，通过对焊接过程进行数值模拟和预测，可以更好地理解焊接变形的机理和规律，优化焊接参数设置，预测变形情况，从而采取相应的控制措施。数值模拟可以模拟焊接过程中的温度场、残余应力分布、变形情况等，帮助工程师调整焊接参数和工艺方案，降低变形风险，优化焊接质量。通过数值仿真，可以事先评估焊接方案的可行性，提前发现潜在问题并制定有效的预防措施，为实际焊接操作提供重要参考。

3.5变形补偿技术

变形补偿技术是一种针对已知焊接变形进行补偿的手段，常见的变形补偿技术包括逆向弯曲和预设变形等方法。逆向弯曲是通过在焊接后对工件进行逆向弯曲，使其变形与焊接过程中产生的变形相互抵消，从而达到最终期望的形状和尺寸要求。预设变形则是在设计阶段预先考虑到焊接变形，并在工件制造过程中引入一定程度的补偿变形，以使最终焊接完成后的形状和尺寸与设计要求相符。通过合理运用变形补偿技术，可以有效控制焊接变形带来的负面影响，提高焊接质量和连接强度。

3.6精确调整焊接参数

焊接参数包括电流、电压、速度、焊接角度等，这些参数直接影响焊接过程中的温度分布和热量输入，进而影响焊接变形的程度。通过准确设置焊接参数，并保持其稳定性，可以控制焊接过程中的温度梯度和应力分布，降低热引起的变形风险。在调整焊接参数时，需要根据具体情况进行优化。需要了解焊接材料的特性和焊接件的结构，以确定最佳的焊接参数范围。通过实验和观察，逐步调整参数，找到最适合的组合。要注意保持焊接参数的稳定性，避免因参数波动而导致焊接质量下降或变形加剧。

3.7使用自动化焊接设备

自动化焊接设备是现代焊接技术的重要组成部分，通过使用自动化焊接设备，可以有效提高焊接的精度和稳定性。这种设备具有更高的控制精度和重复性，能够更精确地实施焊接操作，减小了人为因素对焊接过程的影响。自动化焊接设备能够实时监测和控制焊接参数，及时调整，以保证焊接质量和减少变形的可能性。采用自动化焊接设备不仅提高了生产效率，还能够更好地控制焊接过程，提高金属管道连接的质量和稳定性。因此，使用自动化焊接设备是提高焊接质量、降低成本和提高生产效率的重要手段，对于金属管道连接等领域具有重要意义。

结束语

综上所述，控制焊接变形并保障金属管道连接强度是焊接工程中至关重要的环节，通过对焊接变形影响机理的了解和有效的控制方法应用，我们可以更好地保证金属管道连接的可靠性和安全性。

参考文献

[1]庾明达,张丽屏,邵雪娇等.压力容器主管道分段焊接变形的数值模拟研究[J].核动力工程,2022,43(S2):165-170.

[2]杨兴林,何芳,石园园.天然气高压管道焊接残余应力与变形的有限元分析[J].管道技术与设备,2021,(06):56-60.

[3]卢玉秀,李强,苏光军等.不同参数对在役焊接修复管道径向变形的影响[J].化工装备技术,2021,42(01):23-25.

[4]何小超,武延鑫,李伟等.不锈钢管线焊接变形控制方法适用性分析[J].中国石油和化工标准与质量,2020,40(19):21-23.

[5]郑学庆.厚壁不锈钢管道焊接变形分析及控制方法[J].设备管理与维修,2020,(07):106-107.