焊接是一種運用加熱或加壓手段、添加或不添加填充材料將構(gòu)件不可拆卸地連接在一起或在基表面堆敷覆蓋層的加工工藝。不銹鋼焊管因焊接而產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力稱之為焊接應(yīng)力，按作用時間可分為焊接瞬時應(yīng)力和焊接殘余應(yīng)力。焊接過程中，某一瞬時的焊接應(yīng)力稱之為焊接瞬時應(yīng)力，它隨著時間而變化。直縫不銹鋼焊管焊后殘留在焊管內(nèi)自身相互平衡分布的焊接應(yīng)力稱之為焊接殘余應(yīng)力。焊接殘余應(yīng)力是由于焊接加熱產(chǎn)生不均勻溫度場引起的，主要為熱應(yīng)力，其相反作用的相變應(yīng)力可再疊加其上?？梢赃\用以下的經(jīng)驗法則判別產(chǎn)生焊接殘余應(yīng)力的情況：不銹鋼焊管最后冷卻的區(qū)域以熱應(yīng)力為主時，呈現(xiàn)焊接拉伸應(yīng)力；以相變應(yīng)力為主時，呈現(xiàn)焊接壓縮應(yīng)力。

1. 焊接殘余應(yīng)力產(chǎn)生的原因

  直縫不銹鋼焊管在加工過程中是比較容易產(chǎn)生殘余應(yīng)力的加工過程。焊接是把結(jié)構(gòu)構(gòu)件彼此之間連接起來，這種結(jié)合就會使這些工件之間形成約束狀態(tài)。因此，通常所說的焊接殘余應(yīng)力包括兩個部分：一是當(dāng)焊接件處于自由狀態(tài)時，由于焊接而產(chǎn)生的應(yīng)力，這種應(yīng)力在焊接件中保持自身平衡，稱為焊接殘余應(yīng)力；一是由于焊接件以外的約束而造成的殘余應(yīng)力，稱為約束應(yīng)力。

  不銹鋼焊管焊接加工殘余應(yīng)力的形成，一般包括下列三個方面：

  a. 直接應(yīng)力，這是由于不均勻加熱而造成的，它是取決于焊接件加熱和冷卻時的溫度梯度而表現(xiàn)出來的熱應(yīng)力，是焊接殘余應(yīng)力形成的主要方面。

  b. 間接應(yīng)力，這是焊接前工序帶來的應(yīng)力，構(gòu)件在軋制和冷拔后其表面具有拉伸應(yīng)力，它與焊接產(chǎn)生的應(yīng)力疊加，并對焊接后的構(gòu)件的變形產(chǎn)生附加的影響。

  c. 組織應(yīng)力，這是由于組織變化而產(chǎn)生的應(yīng)力，它與含碳量及材料的其他成分有關(guān)。其中，直接應(yīng)力是焊接殘余應(yīng)力形成的主要方面，即焊接殘余應(yīng)力的產(chǎn)生主要是由加熱和冷卻時的熱應(yīng)力及由它所造成的塑性變形來確定，對這種殘余應(yīng)力起決定性影響的是開始加熱時焊接件的溫度分布，也就是焊接件各點的溫度梯度。焊接件的溫度分布受焊接件的形狀、焊接速度及材料的熱傳導(dǎo)系數(shù)等熱學(xué)性質(zhì)的影響。

  此外，不銹鋼焊管的變形特性對殘余應(yīng)力的產(chǎn)生也有影響。因為諸如材料的屈服應(yīng)力、彈性模量、熱膨脹系數(shù)等都與溫度有關(guān)，屈服應(yīng)力、彈性模量等隨溫度的升高而下降，而熱膨脹系數(shù)則隨溫度的升高而增大。焊接是一個涉及電弧物理、傳熱傳質(zhì)、冶金力學(xué)的復(fù)雜過程，并在傳熱過程中金屬進行著熔化和凝固、加熱或冷卻的相變、焊接應(yīng)力與變形等。高溫停留時間、冷卻速度等熱傳循環(huán)系數(shù)會對焊件的組織狀態(tài)、力學(xué)性能、氫擴散以及焊接冷裂紋等產(chǎn)生重要影響。因此焊接溫度場的準確計算是焊接冶金分析、殘余應(yīng)力與變形計算以及焊接質(zhì)量的控制的前提。從中可以看出，要想研究焊接殘余應(yīng)力必須首先對焊接過程中的溫度場進行分析，然后得出應(yīng)力的動態(tài)分布和應(yīng)力場和溫度場的耦合。焊接溫度場、應(yīng)力場的模擬就是運用其熱、結(jié)構(gòu)及二者的耦合分析功能進行計算，即先運用其熱分析功能計算整個焊接過程的溫度場，然后將溫度場的計算結(jié)果作為熱載荷進行結(jié)構(gòu)的力學(xué)分析，得到應(yīng)力場的整個動態(tài)變化過程。

2. 焊接殘余應(yīng)力的測試

 目前雖然已發(fā)展了焊接熱彈塑性理論，借助于有限元和高速計算機來計算和預(yù)測焊接殘余應(yīng)力的形成和分布，在某些場合可以獲得比較理想的結(jié)果；但是，由于焊接過程本身的復(fù)雜性和數(shù)值模擬分析本身的局限性，理論計算和實際檢測的結(jié)果并不總是符合得很好，因此焊接殘余應(yīng)力的實測經(jīng)常是很必要的。

 焊接殘余應(yīng)力的測量方法很多。參照文獻按其對結(jié)構(gòu)是否破壞來講，有全破壞法、半破壞法和無損法。按其測試原理來講，可分為物理測定法和機械測定法。

 物理測量方法，它的特點是無需將材料進行分離或分割?？衫貌牧系奈锢硖匦圆捎靡欢ǖ姆椒ㄖ苯訙y量構(gòu)件的殘余應(yīng)力。X射線和磁性測定法是利用晶體的X射線的衍射現(xiàn)象和材料的磁性(往往伴用著色劑)來求出殘余應(yīng)力的大小及其分布狀況。超聲波法是根據(jù)聲波在材料的傳播狀態(tài)來測定殘余應(yīng)力的方法。

 機械測定法的測量原理，是將具有殘余應(yīng)力的部分，用一定的方法進行局部分離或分割。從而使殘余應(yīng)力被局部釋放，測定這時的變形，然后應(yīng)用彈性力學(xué)來求出殘余應(yīng)力。這種方法大多要破壞或半破壞構(gòu)件，也稱應(yīng)力釋放法。是以測量宏觀殘余應(yīng)力為對象的，其中全破壞應(yīng)力釋放法包括切條法、車削法和刨削法。而半破壞法中有盲孔松弛法、釋放法和套孔釋放法。其中盲孔松弛法是利用電阻應(yīng)變片測定由于鉆孔而釋放的應(yīng)變形狀來判知焊件內(nèi)殘余應(yīng)力的方法，由于其測試方法相對簡單，準確性好，成為較常用的測量殘余應(yīng)力方法。

3. 焊接殘余應(yīng)力對不銹鋼焊管疲勞性能的影響

 焊接殘余應(yīng)力對斷裂的影響可以分為：對靜載強度的影響，對疲勞強度的影響，對應(yīng)力腐蝕斷裂的影響。

 a. 對靜載強度的影響如果材料是脆性材料，由于材料不能進行塑性變形隨著外力的增加，構(gòu)件中不可能應(yīng)力均勻化。應(yīng)力峰值將不斷增加，直至達到材料的屈服極限，發(fā)生局部破壞，最后導(dǎo)致整個構(gòu)件斷裂。對于塑性材料，在低溫環(huán)境下存在三向拉伸殘余應(yīng)力的作用，會阻礙塑性變形的產(chǎn)生，從而也會大大降低構(gòu)件的承載能力。

 b. 對疲勞強度的影響殘余應(yīng)力對構(gòu)件疲勞強度的影響，常與其它一些因素交織在一起。試驗研究表明對不同的鋼種，不同類型的應(yīng)力集中源、殘余應(yīng)力場對構(gòu)件疲勞性能的影響是不同的。同一材料，同樣的殘余應(yīng)力場，因作用的疲勞載荷應(yīng)力循環(huán)特征系數(shù)不同會產(chǎn)生不同的影響。應(yīng)力比率越低，應(yīng)力集中系數(shù)越大，影響越大。

 c. 對應(yīng)力腐蝕斷裂的影響應(yīng)力腐蝕斷裂是指敏感金屬或合金在一定的拉應(yīng)力和一定腐蝕介質(zhì)環(huán)境共同作用所引起的腐蝕斷裂過程。由于拉應(yīng)力的作用對金屬表面腐蝕鈍化膜不斷破壞，從而加速腐蝕斷裂過程。拉應(yīng)力越大，發(fā)生應(yīng)力腐蝕斷裂越快。焊接殘余應(yīng)力不僅對斷裂有影響，而且對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、剛度、機械加工精度都有影響。

4. 殘余應(yīng)力的特性

 經(jīng)過長期的實踐和研究，人們逐漸認識到不銹鋼焊管焊接殘余應(yīng)力具有以下特性。

 a. 自相平衡性殘余應(yīng)力是內(nèi)應(yīng)力的一種，一般情況下，拉、壓應(yīng)力同時存在于一個焊管中，并且互相平衡，在沒有外界因素干擾的情況下，拉壓應(yīng)力的分布特征將有一定的穩(wěn)定性。

 b. 遵循疊加原理應(yīng)力疊加原理包含有兩個方面：第一，在焊接應(yīng)力的產(chǎn)生、演變過程中，如果在熱應(yīng)力、組織應(yīng)力和拘束應(yīng)力中同時存在兩種或三種，最終結(jié)果將為這兩種或三種應(yīng)力的疊加。投入使用的焊接結(jié)構(gòu)，如果存在未消除的殘余應(yīng)力，將于工作載荷引起的工作應(yīng)力相疊加，從而影響到結(jié)構(gòu)的承載能力和工作壽命。

 c. 產(chǎn)生應(yīng)力重分布現(xiàn)象當(dāng)不銹鋼焊管在工作或加工中由外部因素(加載、受熱等)引起的應(yīng)力與焊接殘余應(yīng)力相疊加超過材料的屈服極限而產(chǎn)生局部屈服，去除外因后，則焊管不能恢復(fù)原來而出現(xiàn)新的變形，而且殘余應(yīng)力的分布狀態(tài)也將發(fā)生變化，一般應(yīng)力峰值會下降；如果這種應(yīng)力疊加產(chǎn)生全面屈服，則該處殘余應(yīng)力中的彈性部分將全面消除。這種殘余應(yīng)力分布狀態(tài)的變化稱為應(yīng)力重分布，伴隨應(yīng)力重分布所發(fā)生的變形稱為二次變形。這一特性帶來正負兩方面的影響。正面影響是降低殘余應(yīng)力的峰值又可提高承載能力和使用壽命。工程界利用這一特性進行所謂超載實驗，以消除或降低殘余應(yīng)力數(shù)值，改善殘余應(yīng)力分布，已經(jīng)發(fā)展成為控制殘余應(yīng)力的有效措施之一。在套管的生產(chǎn)工序中，高強度的水壓實驗可以產(chǎn)生應(yīng)力重分布，降低峰值，提高其使用壽命。負面影響是降低不銹鋼焊管的使用壽命和使用強度。