試析焊接工藝對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，在工業生產及家庭生活中應用極為廣泛。在不銹鋼材料的加工環節，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也較突出。不銹鋼焊接操作中，受熱區域的焊件經由高溫融化及冷卻結晶后連為一體，焊接過程即已完成。但在這一過程中不銹鋼易發生形變，需要對其加以分析并解決。

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秀的抗腐蝕性能表現，而在不銹鋼的制作上，其成本耗費較小，因而在化工行業中，不銹鋼得以大范圍使用。但相比于西方工業發達國家，我國尚不具備最先進的焊接工藝水平，在不銹鋼焊接施工中，極易因技術操作原因導致不銹鋼出現焊接變形問題。從技術原理上看，不銹鋼在加熱環節，如材料在熱量吸收反應上不靈敏，對焊接熱量不能有效吸收時，不銹鋼材料中的金屬物質會在內外拘束作用下在受熱區域進行劇烈運動，引發金屬膨脹及應力驟增，反映到不銹鋼結構上，就會發生形變現象。不銹鋼一旦出現焊接變形，會使不銹鋼材料的質量表現大打折扣。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在以下4 個方面。

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，如需對產品進行焊接作業，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焊、氬氣體保護焊、埋弧焊、焊條電弧焊等。在一些以重工業生產為主的工廠企業中，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用到不銹鋼焊接中時，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，多數焊接操作都伴隨著焊接部位高溫現象的出現，而當焊接部位的溫度下降后，因內外溫差而施加給不銹鋼焊接部位的應力極具增加，此時，不銹鋼焊接部位金屬物質會有極大概率出現變形問題。以使用頻率較高的電弧焊焊接工藝為例，當使用電弧焊對不銹鋼材料進行焊接操作時，焊接部位的高溫經過冷卻后，會有一個較明顯的溫差反應，反映到不銹鋼焊接部位，可以觀察到一個橫向收縮過程，之后就伴有焊接部位變形現象出現。為此，在不銹鋼焊接實踐中，如選用電弧焊這一焊接工藝，應結合不銹鋼材料整體性表現及焊接部位的實際焊接需求進行規范操作，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

不銹鋼焊接操作環節，即便選取了適合于不銹鋼材料特點的焊接工藝，如在焊接操作中在焊接順序的安排上存在偏差，也有很大可能導致不銹鋼出現焊接變形問題。在日常生活中對不銹鋼進行焊接時，因焊接順序而引起的焊接變形問題時有發生。焊接順序對不銹鋼焊接變形產生的影響主要體現在對不銹鋼構件部位上，一方面焊接順序如不正確，可以對不銹鋼構件的應力分布產生影響，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象，會改變不銹鋼構件的應力表現，進而導致不銹鋼焊接變形。在焊接順序的把握上一定要遵循焊接規范，根據焊接依據確定焊接順序。

要提高不銹鋼焊接順序的操作水平，首先要對不銹鋼材料的功能需求加以全面了解，結合不銹鋼材料的性能表現及整體焊接要求，對容易產生焊接變形處先進行焊接作業。針對不銹鋼構件較易出現焊縫等問題，如待焊部位存在面積較大的長縫隙，此時應先對這部分進行焊接。在不銹鋼構件焊接變形問題的實際控制過程中，可以根據確定出的焊接順序進行分段焊接操作。涉及規格較大的不銹鋼構件，如超大型不銹鋼構件，通常無法同時進行焊接操作，適用于中小型不銹鋼構件的焊接順序往往也不匹配大型不銹鋼焊接，此時，就需要對不銹鋼構件的穩定性進行考慮，對可能引起不銹鋼構件變形的因素全盤考慮，然后對焊接順序再加以確定實施。

1.3 焊接熱源基于不銹鋼焊接變形的影響

不銹鋼在經焊接時，構件焊接區域會受到高溫熱源的影響而出現溫度的劇烈變化，這一過程也是誘發不銹鋼焊接變形的因素之一。在焊接熱源影響下，不銹鋼焊縫區域被急劇快速加熱，直至熔化。在焊接區域不銹鋼材料受到高溫加熱后，不銹鋼焊接區得以擴展，而其周邊區域溫度遠低于焊接區，則前者就會對后者產生約束，進而造成不銹鋼材料焊接區彈性熱應力的出現，當不銹鋼材料達到了最高屈服應力，在溫度作用下驟升又驟降時，屈服極限小于材料熱彈性應力，熱壓縮現象即產生，不銹鋼焊縫區因溫度應力作用而開始收縮，拉伸殘余應力在焊接區產生，而壓縮殘余應力被焊接區周邊區域承受，不銹鋼材料就面臨著不同程度的收縮變形問題。

1.4 焊接參數基于不銹鋼焊接變形的影響

焊接工藝實施過程中需要焊接參數的合理設定，以提高焊接質量表現。所謂焊接參數，主要是焊接中選用的電弧電壓數值及焊接接通電流數值，這些數值參數的選擇能夠對不銹鋼焊接質量施加相當大的影響。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，在對不銹鋼材料進行焊接作業時，如焊接參數不合理，可在焊接過程中及時予以調整，以保障焊接電流數值區間產生的焊接溫度不會觸發不銹鋼材料溫差變形。在技術規范中，焊接時陰極區溫度一般在3000℃左右，焊縫中心部位的溫度可達2500℃以上，而焊接中間弧柱的溫度數值高約5000℃。因此，要避免焊接過程中因焊接熱源對不銹鋼材料施加強烈的變形影響，就應選取標準區間內的焊接參數。在焊接電流的控制上，既不能過大也能 過小，以不銹鋼焊件受熱能維持均衡狀態為參數標準。

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

2.1 做好不銹鋼焊接前的準備工作

在不銹鋼焊接之前，需要做好如下幾點準備工作：首先，結合不銹鋼構件的整體功能需求，事先預判焊接過程中可能出現的焊接變形問題，然后確定合理的焊接順序及焊接變形動態監控和調整方案。其次，科學選用焊接前的預防不銹鋼構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、預拉伸法等。在不銹鋼構件焊接前，根據構件的形狀規格及大小等因素，對焊接變形量進行提前預測，這一方法稱為反變形法。反變形法在應用時需要對不銹鋼構件進行精準的測量，特別是針對大型不銹鋼構件，應在得出焊接變形概率及大致部位后，根據測量的結果，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，對不銹鋼焊接構件進行固定，以降低焊接變形概率。這一方法需要準備特定的作業機具。預拉伸法在預防不銹鋼構件變形問題上效果最為明顯，此方法主要是通過對不銹鋼構件進行200～400℃的預熱，將構件的殘余應力進行消解。

2.2 跟進不銹鋼焊接過程的質量控制

焊接過程是不銹鋼發生焊接變形的主要時段，因此，對不銹鋼焊接過程進行質量控制，可有效預防焊接變形問題發生。在焊接前應對不銹鋼材料焊接方案進行全面細致的研究，確定焊接采取的工藝。在焊接工藝實施中，針對不銹鋼材料表現要由專人進行監督，如遭遇引致不銹鋼變形的因素，應及時采取跟蹤激冷、隨焊兩側加熱碾壓等方法進行補救。在焊接操作人員的管理上，一是考察焊接人員的技術操作水平，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，三是嚴格參照焊接工藝規章制度進行操作，如有違規操作行為，及時制止糾正，確保焊接操作安全有序進行。

2.3 及時采取措施對焊后作業進行矯正

焊接前及焊接中如未及時對焊接變形現象進行控制，在焊接結束后則需要及時采取措施對變形處進行矯正操作。在矯正方法上，根據不銹鋼構件的規格合理選擇，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件進行整體加熱再加以鍛造，涉及大型不銹鋼構件焊后矯正時一般不選用此方法。對于某些因局部高溫變形的區域，可以使用高溫火焰加熱，通過壓縮性變形的變化來抵消其變形的現象，這一方法能夠有效地矯正不銹鋼變形部位。

3 結語

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、焊接參數等，在對不銹鋼進行焊接操作時，要根據不銹鋼材料的規格性能等，在焊接前、中、后三個環節及時跟進控制措施，將不銹鋼焊接變形發生概率降至最低。