(中国电建集团核电工程有限公司 山东省济南市 250102)
摘要：随着当前火力发电站、核电站建设中大径厚壁不锈钢管道的广泛应用，大径厚壁不锈钢焊接过程容易出现较大应力及变形，通过进行焊接分析和焊接工艺研究，不锈钢材料本身具有较高的熔点，热膨胀系数也较高，其自身的热影响区域非常大，导致在实际焊接施工过程中非常容易出现焊接变形或者是应力集中等现象。焊接变形是焊接施工过程中非常普遍的一种焊接质量通病，厚壁不锈钢管道在实际进行焊接施工过程中由于其本身导热较慢，而且焊接施工过程中的变形系数较高，熔池填充量非常大，因此很难实现对焊接施工过程中焊接变形的有效控制。下文就简要展开对这一问题的分析研究
关键词：厚壁不锈钢管道；焊接变形；控制措施
一、焊接变形原因分析
1、热膨胀系数高。与普通的低碳钢相比较，奥氏体不锈钢热膨胀系数要高1.5倍左右.在焊接施工过程中不锈钢材质会受到热膨胀系数的严重影响，非常容易出现变形现象。
2、热影响区大。在不锈钢材质中铬元素的含量超过了13%，而这种元素实际的熔点能够达到1855℃。不锈钢管道在实际焊接施工过程中必须要保证焊接电流更大，同时还要让熔池的温度更高。在针对厚壁不锈钢管道进行焊接施工过程中熔池以及填充量都非常大，而且实际施工过程中焊接成数都基本超过3层，这使得焊接过程中的变形量非常大。
3、焊接应力产生。在高温的影响下，会导致焊缝融合区快速融化，在这种情况下，周围温度较低的区域会对整个融合区产生一定的约束作用，从而使得进一步产生应力。完成焊接施工后融合区材料在冷却收缩的过程中与温度常处在不均匀的状态下，加之周边区域的影响，导致其在实际产生的收缩变形呈现出不均匀状态，焊接区域以及周边区域就会进一步产生残余应力。在产生应力之后，不仅会导致焊接过程中产生严重变形，而且也会对焊接母材的局部耐腐蚀以及物理性能产生严重影响。
二、厚壁不锈钢管道焊接工艺
1、焊接准备
1.1、焊接方法:根据不锈钢的焊接特点，应尽可能减小热输入量，一般采用手工电弧焊、钨极氩弧焊两种方法，Φ＞100 mm的采用氩弧焊打底加电弧焊填充盖面。Φ≦100 mm且壁厚小于5mm的管道采用全氩弧焊，壁厚大于等于5mm的管道采用氩弧打底，电弧焊填充盖面。
1.2、电焊机:由于不锈钢焊接易产生引弧夹钨和收缩气孔需要配备高频引弧和电流衰减特性的专用氩弧焊机。
1.3、焊材:焊丝采用Φ2.5/PP-TIG316L，焊条采用:Φ2.5-3.2/A022，使用前焊丝表面去除氧化层和油污使用丙酮或酒精揩干净；焊条应200-250 ℃烘干1h，存放保温筒内随取随用。
1.4、焊接电流:不锈钢导热效率低，约为碳钢的1/3，电阻率约为碳钢的5倍，线膨胀系数比碳钢约大50%，密度大于碳钢，因此焊接电流应小于碳钢焊接电流。手工电弧焊时焊机采用直流反接，氩弧焊时采用直流正接。在焊接打底层应尽量采用小直径焊材，小电流，降低焊接线能量，提高熔敷金属的流动性。因不锈钢导热性能差，故此应选用小电流避免焊条焊接过程中焊芯发红，药皮中气体保护成分过热挥发，造成焊条熔渣保护效果下降。组对间隙较大的焊缝采用单侧连续送丝焊枪连续摆动，靠液态金属的流动性与另一侧母材熔化结合,防止单侧咬边。
1.5、氩气：氩气瓶上应贴有出厂合格标签，使用纯氩≥99.99%或高纯氩≥99.999%，氩弧焊焊接不锈钢时，背面必须充氩气保护，保证背面成形圆滑，防止焊缝根部氧化降低焊缝耐腐蚀性。气瓶中的氩气不能用尽，瓶内余压不得低于0.5MPa。大管道采用在管道内局部充氩的方法，跟随焊接进度保护，流量为5-14L/min，正面氩气流量为12-13L/min。氩气保护不锈钢内壁熔化金属与空气隔离，防止不锈钢在高温情况下发生焊缝根部氧化。
小径管氩弧焊时应做焊接管段可溶纸封堵，焊缝背面应提前送气，流量适当加大空气排出后，流量逐渐减小，焊接过程中应不间断地向管内充氩，停焊时滞后停气，使焊缝得到充分的保护，另外应特别注意的是，空气排净后才能进行焊接，否则影响充氩的保护效果。氩气流量应适当，流量过小保护不好，焊缝背面容易氧化；流量过大，焊接时产生涡流带入空气，保护效果也会变坏，同时会引起焊缝根部内凹等缺陷，影响焊接质量。
1.6、焊接参数：因不锈钢热膨胀系数较大，焊接时产生较大的焊接应力，要求采用严格的定位焊。对于大管道应控制焊接温度，降低焊接热应力，大管道焊接建议采取对称分段花焊的焊接方法。焊接不锈钢不易摆动，应采取小电流快速焊。对于d≦Φ89 mm 的管采用两点定位，d=Φ89-Φ219 mm采用三点定位，d≧219 mm 的采用四点定位；定位焊缝长度6-8 mm。
三、焊接变形控制措施
1、焊前预热降低热膨胀系数影响。随着温度的升高热膨胀系数也随之升高，但高于一定温度后（不锈钢＞150℃、低碳钢＞220℃）增长速率相对放缓。利用这一特性，在施焊前进行焊前预热，预热温度150℃，提前释放大量的母材热膨胀量，以减小其对焊接变形的影响。
2、机械加工坡口。不锈钢管线切割及坡口加工通常采用手工等离子切割磨光机加工坡口，该方法现场不易掌握；采取机械切割效率高、易于操作、坡口加工标准。加工标准的坡口不仅易于焊接，而且焊接时热影响区分布均匀。
3、合理控制焊接热影响区。首先要“多点定位对称施焊”，管道公称直径小于80mm时采用两点定位组对，80~200mm时三点定位组对，大于200mm时四点定位组对；焊接过程中保证对称施焊，使热影响区对称分布抵消变形。其次是控制层间温度，各焊层采取间断焊接，使坡口内温度在下一步施焊前始终控制在200~600℃之间，以减小焊接热影响区的范围。
4、焊后热处理消除焊接应力。不锈钢热处理方法通常采取退火和固溶热处理。固溶热处理的目的是提高耐腐蚀性能；现场通常采用退火热处理以消除焊后残余应力变形，处理温度控制在600℃，恒温10min后缓冷。
5、焊接变形的矫正。由于焊接支管较多,焊缝集中于一侧,因此产生弯曲变形,根据管子的长短、直径的大小和管壁的厚薄,通常产生的挠度50～150mm。矫正的方法有机械法和加热法，机械法一般采用压力反向顶压法，使焊接一侧产生拉伸变形，而另一侧产生压缩变形，从而达到矫直的目的。在施压过程中，一般要经过多次反复校对才能达到矫直的目的。若管壁较薄，为防止被压扁，要在施压点垫放与压点形状相吻合的垫块（通常三块），以减少管子的失圆度。若变形管子较小，又没有压力设备，完全可以用适当的锤子敲直。火焰法就是用火焰加热焊接支管的对面，采用三角形加热法，三角形底边长约管径的1/2～1/3。加热范围在圆周上1/3，即中心角120°所对应的弧长。加热用的焊炬一般是H01-12或H01-20，采用氧化焰，加热温度约800℃，即樱红色。在火焰矫正过程中，为了提高矫正速度，增加矫正量，通常采用喷水的方法加速冷却。这种方法矫直后有小量的回弹。要求操作工有一定经验才能快速矫正好工件。一般来说，需要2～3次才能完成矫正作业。
结束语
厚壁不锈钢管道由于其壁厚的原因，在焊接后矫正变形难度非常大，变形量过大将严重影响其使用性能和工艺管道安装偏差。通过焊接前预热，焊接时组对和焊接顺序的调整以及焊后的应力消除处理等方法，把焊接变形控制到最小。在实施过程中，还需要技术人员与操作人员紧密配合及时统计和分析数据，合理制定施工方案，因地制宜地对构件焊接变形进行全方位控制，才能制造出更加完美的产品。
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