試析焊接工藝對(duì)不銹鋼焊接變形的影響

阮波

（重慶華峰化工有限公司，重慶 408018）

不銹鋼材料憑借其抗腐蝕性能突出的特點(diǎn)，在工業(yè)生產(chǎn)及家庭生活中應(yīng)用極為廣泛。在不銹鋼材料的加工環(huán)節(jié)，用到焊接工藝的頻率較高。一方面焊接工藝在操作成本上較為低廉，另一方面焊接工藝的可靠性表現(xiàn)也較突出。不銹鋼焊接操作中，受熱區(qū)域的焊件經(jīng)由高溫融化及冷卻結(jié)晶后連為一體，焊接過(guò)程即已完成。但在這一過(guò)程中不銹鋼易發(fā)生形變，需要對(duì)其加以分析并解決。

1 焊接工藝引致不銹鋼焊接變形的原因及影響分析

如前所述，不銹鋼材料具備了較為優(yōu)秀的抗腐蝕性能表現(xiàn)，而在不銹鋼的制作上，其成本耗費(fèi)較小，因而在化工行業(yè)中，不銹鋼得以大范圍使用。但相比于西方工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家，我國(guó)尚不具備最先進(jìn)的焊接工藝水平，在不銹鋼焊接施工中，極易因技術(shù)操作原因?qū)е虏讳P鋼出現(xiàn)焊接變形問(wèn)題。從技術(shù)原理上看，不銹鋼在加熱環(huán)節(jié)，如材料在熱量吸收反應(yīng)上不靈敏，對(duì)焊接熱量不能有效吸收時(shí)，不銹鋼材料中的金屬物質(zhì)會(huì)在內(nèi)外拘束作用下在受熱區(qū)域進(jìn)行劇烈運(yùn)動(dòng)，引發(fā)金屬膨脹及應(yīng)力驟增，反映到不銹鋼結(jié)構(gòu)上，就會(huì)發(fā)生形變現(xiàn)象。不銹鋼一旦出現(xiàn)焊接變形，會(huì)使不銹鋼材料的質(zhì)量表現(xiàn)大打折扣。從焊接工藝操作層面看，其基于不銹鋼焊接變形的影響主要體現(xiàn)在以下4 個(gè)方面。

1.1 焊接方法基于不銹鋼焊接變形的影響

不管是在大型工廠還是在居民家中，如需對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行焊接作業(yè)，通常而言，常用焊接方法較為有限，主要是采用熔化極氣體保護(hù)焊、氬氣體保護(hù)焊、埋弧焊、焊條電弧焊等。在一些以重工業(yè)生產(chǎn)為主的工廠企業(yè)中，還可能用到異種金屬焊接、水下焊接、鈦焊接、鑄鐵焊接、薄鋁焊接等特種焊接工藝。不同種類的焊接工藝形式應(yīng)用到不銹鋼焊接中時(shí)，其基于不銹鋼焊接變形的影響程度也不盡相同。不管采用何種焊接工藝，多數(shù)焊接操作都伴隨著焊接部位高溫現(xiàn)象的出現(xiàn)，而當(dāng)焊接部位的溫度下降后，因內(nèi)外溫差而施加給不銹鋼焊接部位的應(yīng)力極具增加，此時(shí)，不銹鋼焊接部位金屬物質(zhì)會(huì)有極大概率出現(xiàn)變形問(wèn)題。以使用頻率較高的電弧焊焊接工藝為例，當(dāng)使用電弧焊對(duì)不銹鋼材料進(jìn)行焊接操作時(shí)，焊接部位的高溫經(jīng)過(guò)冷卻后，會(huì)有一個(gè)較明顯的溫差反應(yīng)，反映到不銹鋼焊接部位，可以觀察到一個(gè)橫向收縮過(guò)程，之后就伴有焊接部位變形現(xiàn)象出現(xiàn)。為此，在不銹鋼焊接實(shí)踐中，如選用電弧焊這一焊接工藝，應(yīng)結(jié)合不銹鋼材料整體性表現(xiàn)及焊接部位的實(shí)際焊接需求進(jìn)行規(guī)范操作，做好焊中焊后溫度控制措施，盡量降低焊接部位變形概率。

1.2 焊接順序基于不銹鋼焊接變形的影響

不銹鋼焊接操作環(huán)節(jié)，即便選取了適合于不銹鋼材料特點(diǎn)的焊接工藝，如在焊接操作中在焊接順序的安排上存在偏差，也有很大可能導(dǎo)致不銹鋼出現(xiàn)焊接變形問(wèn)題。在日常生活中對(duì)不銹鋼進(jìn)行焊接時(shí)，因焊接順序而引起的焊接變形問(wèn)題時(shí)有發(fā)生。焊接順序?qū)Σ讳P鋼焊接變形產(chǎn)生的影響主要體現(xiàn)在對(duì)不銹鋼構(gòu)件部位上，一方面焊接順序如不正確，可以對(duì)不銹鋼構(gòu)件的應(yīng)力分布產(chǎn)生影響，另一方面焊接前后如顛倒，或在焊接步驟上存在多焊少焊現(xiàn)象，會(huì)改變不銹鋼構(gòu)件的應(yīng)力表現(xiàn)，進(jìn)而導(dǎo)致不銹鋼焊接變形。在焊接順序的把握上一定要遵循焊接規(guī)范，根據(jù)焊接依據(jù)確定焊接順序。

要提高不銹鋼焊接順序的操作水平，首先要對(duì)不銹鋼材料的功能需求加以全面了解，結(jié)合不銹鋼材料的性能表現(xiàn)及整體焊接要求，對(duì)容易產(chǎn)生焊接變形處先進(jìn)行焊接作業(yè)。針對(duì)不銹鋼構(gòu)件較易出現(xiàn)焊縫等問(wèn)題，如待焊部位存在面積較大的長(zhǎng)縫隙，此時(shí)應(yīng)先對(duì)這部分進(jìn)行焊接。在不銹鋼構(gòu)件焊接變形問(wèn)題的實(shí)際控制過(guò)程中，可以根據(jù)確定出的焊接順序進(jìn)行分段焊接操作。涉及規(guī)格較大的不銹鋼構(gòu)件，如超大型不銹鋼構(gòu)件，通常無(wú)法同時(shí)進(jìn)行焊接操作，適用于中小型不銹鋼構(gòu)件的焊接順序往往也不匹配大型不銹鋼焊接，此時(shí)，就需要對(duì)不銹鋼構(gòu)件的穩(wěn)定性進(jìn)行考慮，對(duì)可能引起不銹鋼構(gòu)件變形的因素全盤考慮，然后對(duì)焊接順序再加以確定實(shí)施。

1.3 焊接熱源基于不銹鋼焊接變形的影響

不銹鋼在經(jīng)焊接時(shí)，構(gòu)件焊接區(qū)域會(huì)受到高溫?zé)嵩吹挠绊懚霈F(xiàn)溫度的劇烈變化，這一過(guò)程也是誘發(fā)不銹鋼焊接變形的因素之一。在焊接熱源影響下，不銹鋼焊縫區(qū)域被急劇快速加熱，直至熔化。在焊接區(qū)域不銹鋼材料受到高溫加熱后，不銹鋼焊接區(qū)得以擴(kuò)展，而其周邊區(qū)域溫度遠(yuǎn)低于焊接區(qū)，則前者就會(huì)對(duì)后者產(chǎn)生約束，進(jìn)而造成不銹鋼材料焊接區(qū)彈性熱應(yīng)力的出現(xiàn)，當(dāng)不銹鋼材料達(dá)到了最高屈服應(yīng)力，在溫度作用下驟升又驟降時(shí)，屈服極限小于材料熱彈性應(yīng)力，熱壓縮現(xiàn)象即產(chǎn)生，不銹鋼焊縫區(qū)因溫度應(yīng)力作用而開(kāi)始收縮，拉伸殘余應(yīng)力在焊接區(qū)產(chǎn)生，而壓縮殘余應(yīng)力被焊接區(qū)周邊區(qū)域承受，不銹鋼材料就面臨著不同程度的收縮變形問(wèn)題。

1.4 焊接參數(shù)基于不銹鋼焊接變形的影響

焊接工藝實(shí)施過(guò)程中需要焊接參數(shù)的合理設(shè)定，以提高焊接質(zhì)量表現(xiàn)。所謂焊接參數(shù)，主要是焊接中選用的電弧電壓數(shù)值及焊接接通電流數(shù)值，這些數(shù)值參數(shù)的選擇能夠?qū)Σ讳P鋼焊接質(zhì)量施加相當(dāng)大的影響。與上述提及的焊接工藝類型及焊接操作順序等可變因素相同，在對(duì)不銹鋼材料進(jìn)行焊接作業(yè)時(shí)，如焊接參數(shù)不合理，可在焊接過(guò)程中及時(shí)予以調(diào)整，以保障焊接電流數(shù)值區(qū)間產(chǎn)生的焊接溫度不會(huì)觸發(fā)不銹鋼材料溫差變形。在技術(shù)規(guī)范中，焊接時(shí)陰極區(qū)溫度一般在3000℃左右，焊縫中心部位的溫度可達(dá)2500℃以上，而焊接中間弧柱的溫度數(shù)值高約5000℃。因此，要避免焊接過(guò)程中因焊接熱源對(duì)不銹鋼材料施加強(qiáng)烈的變形影響，就應(yīng)選取標(biāo)準(zhǔn)區(qū)間內(nèi)的焊接參數(shù)。在焊接電流的控制上，既不能過(guò)大也能 過(guò)小，以不銹鋼焊件受熱能維持均衡狀態(tài)為參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

2 消減焊接工藝基于不銹鋼變形影響程度的焊接工藝操作要點(diǎn)

2.1 做好不銹鋼焊接前的準(zhǔn)備工作

在不銹鋼焊接之前，需要做好如下幾點(diǎn)準(zhǔn)備工作：首先，結(jié)合不銹鋼構(gòu)件的整體功能需求，事先預(yù)判焊接過(guò)程中可能出現(xiàn)的焊接變形問(wèn)題，然后確定合理的焊接順序及焊接變形動(dòng)態(tài)監(jiān)控和調(diào)整方案。其次，科學(xué)選用焊接前的預(yù)防不銹鋼構(gòu)件焊接變形的控制方法。較為有效的方法有反變形法、剛性固定組裝法、預(yù)拉伸法等。在不銹鋼構(gòu)件焊接前，根據(jù)構(gòu)件的形狀規(guī)格及大小等因素，對(duì)焊接變形量進(jìn)行提前預(yù)測(cè)，這一方法稱為反變形法。反變形法在應(yīng)用時(shí)需要對(duì)不銹鋼構(gòu)件進(jìn)行精準(zhǔn)的測(cè)量，特別是針對(duì)大型不銹鋼構(gòu)件，應(yīng)在得出焊接變形概率及大致部位后，根據(jù)測(cè)量的結(jié)果，采取與變形方向相反的抵消措施。剛性固定組裝法主要是借助全方位固定措施，對(duì)不銹鋼焊接構(gòu)件進(jìn)行固定，以降低焊接變形概率。這一方法需要準(zhǔn)備特定的作業(yè)機(jī)具。預(yù)拉伸法在預(yù)防不銹鋼構(gòu)件變形問(wèn)題上效果最為明顯，此方法主要是通過(guò)對(duì)不銹鋼構(gòu)件進(jìn)行200～400℃的預(yù)熱，將構(gòu)件的殘余應(yīng)力進(jìn)行消解。

2.2 跟進(jìn)不銹鋼焊接過(guò)程的質(zhì)量控制

焊接過(guò)程是不銹鋼發(fā)生焊接變形的主要時(shí)段，因此，對(duì)不銹鋼焊接過(guò)程進(jìn)行質(zhì)量控制，可有效預(yù)防焊接變形問(wèn)題發(fā)生。在焊接前應(yīng)對(duì)不銹鋼材料焊接方案進(jìn)行全面細(xì)致的研究，確定焊接采取的工藝。在焊接工藝實(shí)施中，針對(duì)不銹鋼材料表現(xiàn)要由專人進(jìn)行監(jiān)督，如遭遇引致不銹鋼變形的因素，應(yīng)及時(shí)采取跟蹤激冷、隨焊兩側(cè)加熱碾壓等方法進(jìn)行補(bǔ)救。在焊接操作人員的管理上，一是考察焊接人員的技術(shù)操作水平，二是采取工藝卡控制的方法，將焊接安全隱患加以排查消除，三是嚴(yán)格參照焊接工藝規(guī)章制度進(jìn)行操作，如有違規(guī)操作行為，及時(shí)制止糾正，確保焊接操作安全有序進(jìn)行。

2.3 及時(shí)采取措施對(duì)焊后作業(yè)進(jìn)行矯正

焊接前及焊接中如未及時(shí)對(duì)焊接變形現(xiàn)象進(jìn)行控制，在焊接結(jié)束后則需要及時(shí)采取措施對(duì)變形處進(jìn)行矯正操作。在矯正方法上，根據(jù)不銹鋼構(gòu)件的規(guī)格合理選擇，一般情況下采用高溫火焰加熱及整體加熱這兩種方式。但整體加熱法由于要將不銹鋼構(gòu)件進(jìn)行整體加熱再加以鍛造，涉及大型不銹鋼構(gòu)件焊后矯正時(shí)一般不選用此方法。對(duì)于某些因局部高溫變形的區(qū)域，可以使用高溫火焰加熱，通過(guò)壓縮性變形的變化來(lái)抵消其變形的現(xiàn)象，這一方法能夠有效地矯正不銹鋼變形部位。

3 結(jié)語(yǔ)

影響不銹鋼焊接變形的因素較多，涉及焊接工藝、焊接順序、焊接熱源、焊接參數(shù)等，在對(duì)不銹鋼進(jìn)行焊接操作時(shí)，要根據(jù)不銹鋼材料的規(guī)格性能等，在焊接前、中、后三個(gè)環(huán)節(jié)及時(shí)跟進(jìn)控制措施，將不銹鋼焊接變形發(fā)生概率降至最低。