焊接后热处理技术及焊接残余应力的影响

摘 要 焊接作为一个不均匀性的加热过程，在焊接结构的局部发生塑性变形问题，经过冷却之后，工件内部就会残留部分应力。如果发生焊接残余应力，不仅对工件的机械强度造成影响，也可能引发工件的开裂、变形，降低尺寸的精确度。本文结合焊接后热处理技术要点，对焊接残余应力的影响因素、危害以及消除策略等进行分析与探讨。

关键词 焊接；热处理；残余应力；影响；消除

中图分类号：TG404 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2013）13-0084-02

在全球经济一体化趋势的影响下，各行各业的生产和能源消费对于全球能源可持续发展都会产生不同程度的影响，为了适应节能减排的目标，必须要从能源消耗较大的工业着手。焊接工艺作为现代工艺中一项常用的技术，其在材料、技术等方面都有着较高的消耗，一直以来都是高耗能行业，基于此，必须要注重对焊接工艺的科学处理，才能实现能源的节约。

1 影响焊接残余应力的主要因素

1.1 焊接原材料的影响

随着原材料的熔化温度变化，焊接的残余应力也会相应发生变化。其温度越高、残余应力就越大。同时，对残余应力大小的影响因素还包括：线膨胀系数、屈服强度、弹性模量等。原材料的种类不同，由此产生的变化也有所区别。当膨胀系数处于高温条件下，其温度就会持续上升，此时为线性增加状态；屈服强度、弹性模量等都会随着原材料类型的不同而表现出不同的反应。

1.2 焊接参数的影响

在相对正常的焊接条件下，若想确保焊接电流不产生任何变化，则需要提高焊接效率，此时将延长焊接的温度场，同时增加了焊接的梯度，此时焊接残余应力就会加大。若想确保焊接的速度不发生改变，则提高焊接电流强度，此时焊接的温度场就会变宽、加长，增加温度梯度，焊接的残余应力也相应加大。

1.3 焊接热源的影响

在结构焊接过程中，一般只采取局部加热方法，但是热源中心的温度一般较高，由于焊缝与焊件不同点之间的距离存在差异，因此在加热的瞬间，各点温度会产生变化，温度场也可能有所改变。由于加热并不是均匀进行，焊件的温度梯度有所增加，对焊接残余应力大小造成影响。如果在自然条件下完成焊件的冷却，此时温度由800℃降低到500℃，无论是焊接的残余应力还是应变力大小，都会受到影响，需加强重视。

1.4 焊接比容的影响

当钢材结构经过加热或者冷却之后，就会产生相变作用，由此变化也会引发比容、性能等改变。一般情况下，如果温度已经上升到700℃以上，那么钢材就会由奥氏体转变为铁素体，但是对残余应力的影响可以忽略不计。在冷却过程中，由于温度大幅度降低，冷却的速度也有所改变，此时合金数量、碳元素数量等增加，钢结构在低温状况下发生相变，此时体积快速膨胀，就会产生残余应力。

2 焊接残余应力对构件的危害

在构件焊接过程中，由于受到应力重分布或者二次变形等影响，在介质、温度等作用下，残余应力将对结构性能造成多方面影响，分析如下。

2.1 降低焊接结构的静力强度

当结构受到一定承载力之后，会表现出充足的塑性变形能力。随着荷载力的大幅度增加，此时屈服强度的区域应力也有所增加，而不符合屈服强度的区域应力也会发生变化。在这种情况下，焊接残余应力不会对静力强度造成影响。但是在相反的状态下，当结构受到承载作用之后没能表现塑性变形能力，则焊接残余应力就会对结构静力强度造成影响。

2.2 削弱焊接结构的疲劳强度

当处于循环性的荷载作用下，如果存在一定的焊接残余应力，那么应力循环过程可能出现偏移，此时平均值发生变化，而幅值则保持不变。此时，平均值与极限幅值之间具有反比例关系。因此，拉伸焊接的参与应力集中在应力产生的部位，削弱疲劳强度。

2.3 造成焊接结构的刚度不足

在焊接结构中，如果存在焊接残余应力及荷载作用，就会造成应力的叠加现象，此时材料可能达到屈服的极限点。但是在材料塑性性能中，无法将这一特性表现出来，局部应力就会大幅度增加，结构不能继续承载力的作用，此时材料结构中有效承载面积大幅减少，结构的刚度也会降低。在实际工程运行过程中，由于校正焊缝及火焰等，都会产生一定的焊接残余应力，如果火焰校正较为频繁，那么经过加载之后就会产生变形，并且卸载之后也会存在回弹性不足的问题。

2.4 引发应力腐蚀开裂问题

在拉应力与腐蚀介质的共同作用下，如果发生介质材料裂缝，就被称作应力腐蚀开裂。由于拉应力的大面积存在，此时金属表面的腐蚀钝化膜破坏力也会加大，而残余拉应力和拉应力之间形成叠加作用，加速腐蚀与断裂。

3 焊接后热处理技术的应用机理

由于焊接热源对构件产生不均匀的加热或者冷却，同时也会引发不均匀的塑性流动，那么构件焊接之后就会产生弹塑性应变，进而引发焊接残余应力。在焊接过程中，局部热量的不均匀输入可能造成焊缝区熔化现象，在焊接区的温度与相邻区域的温度偏高，此时形成正温差，而熔池附近的高温区材料热膨胀作用受到影响，高温区材料会形成不均匀的压缩塑性变形现象。

在构件冷却的过程中，部分材料已经发生塑性变形作用，而受到周围环境、因素等制约，不能进行自由收缩，在一定程度上受到拉伸作用，产生拉应力。同时，熔池发生凝固作用，已经形成焊缝的金属受到冷却收缩作用，也会形成一定的拉

应力。

采取焊接后热处理技术，主要针对产生残余应力的原因，在进行焊接之前采取预热方法，减少金属试板与焊接焊缝之间的温度差，那么在焊接工程中，产生极小的原材料与焊缝不均匀变形问题；在进行冷却过程中，主要应用保温棉，此时原材料与焊缝之间的温度较为接近，材料整体冷却，形成均匀变形，产生较少的焊接残余应力。

4 焊接后热处理技术的应用数值模拟

4.1 温度场数值的模拟

通过采取焊后热处理技术，可确保整个焊接结构根据一定的加热速度进行升温，保持一定的时间之后，将变形金属实现再结晶，进而产生全新等轴晶粒，此时可基本消除晶体缺陷，合理控制金属的强度，提高韧性，而残余应力也因此能够释放并消除。为了更好地获取热处理过程的温度场模拟值，可将热处理过程分为不同的温度阶段，结合各个阶段的升温与降温实验，采取有限元软件对不同阶段的热源进行计算，并在模型中实行模拟运用，最终获得精确的温度场值。通过数值模拟曲线的观察，确定不同阶段的温度控制能否符合焊后热处理的标准与规范，进入保温阶段之后，接头部位的温度均符合标准。

4.2 应力场数值的模拟

将焊件焊接之后的残余应力场分布状况，以初始状态导入模型中，对温度的变化过程进行记录，了解历史事件并读取各个节点的温度数据、应力数据等，将相应的数据值加载到模型中，运用热塑性理论，充分考虑温度场、组织转变场等影响作用，对焊后热处理过程的残余应力分布进行计算。为了客观了解热处理后残余应力的分布状况、数值大小等，与焊后残余应力进行对比，一般焊后残余应力的峰值在热影响区域的附近，经过采取消应力的热处理技术，残余应力的峰值有所降低，此时位置不会发生变化。当完成热处理过程之后，距离焊缝较远的原材料区域残余应力值逐渐上升，直到100 Mpa左右。这主要由于受到热处理的作用，残余应力逐渐释放并重新组织、分配。对于焊接接头位置的焊后等效残余应力来说，其峰值处于内表面约10 mm-12 mm左右，属于打底焊道位置，该位置的坡口尺寸较小，受到一定的约束力作用，在快速冷却的状态下收缩量就会增加；当外表面的等效残余应力值达到最低点时，内表面的残余应力峰值就会增加，而采取焊后热处理技术，则可有效控制残余应力峰值，其降低幅度高达30%-50%，确保焊接残余应力处于平稳状态。

5 结论与思考

本文通过分析焊接残余应力的影响因素、产生危害等，对焊接后热处理技术的应用进行探讨，最终获得如下结论：1）在进行热处理过程中，如何确定保温温度并控制温差范围，对最终的热处理效果产生直接影响，需加强重视；2）根据热弹塑性理论与有限元分析程序，充分考虑温度场与组织转变场等影响作用，通过采取三场耦合的有限元计算模式，实现焊后热处理技术的分布计算；3）运用有限元计算方法，可更加精确地掌握焊后热处理技术在残余应力分布中的影响规律，可较好地保障应力消除效果。

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