研究焊接后熱處理對金屬材料抗應力腐蝕性能的影響

張瑜

摘要：目前，在石油化工行業，普遍在焊接冷卻后用退火的方法來消除殘余應力。但是，焊接冷卻更容易產生殘余應力，反而浪費資源增加了焊接殘余應力。焊接后熱處理的技術，能夠盡快的消除殘余應力。本文對焊接后熱處理對金屬材料抗應力腐蝕性能的影響進行了探討分析。

關鍵詞：焊接后熱處理；焊接殘余應力

焊件在焊接的過程中，一些加工應力、相變應力等超過屈服極限，使得焊件在冷卻之后還有著遺留下的應力。焊接殘余的應力會嚴重影響焊接構件的抗應力腐蝕性能，因此需要通過一些技術加以處理。焊接后熱處理一種降低焊接所殘余的應力的方法。本文就對焊接后熱處理對金屬材料抗應力腐蝕性能的影響進行研究。

一、焊后的材料焊接殘余應力的處理

目前，在我國安裝大型設備都采取現場安裝。現場安裝的工程常用到焊接工藝。焊接工藝對材料的局部加熱，會產生瞬間高度集中的溫度，使得材料產生不均勻的現象。由于應力過大，出現了屈服極限。焊后的材料有著很強的焊接殘余應力。殘余應力會出現應力腐蝕，會影響到壓力容器的使用。應力腐蝕只會在特定的環境中出現，必須存在應力才會出現應力腐蝕裂紋。應力腐蝕斷裂屬于滯后的破壞，有著低應力、脆性的特點。在我國石油化工行業，應力腐蝕開裂的現象時常發生，因為金屬材料內的腐蝕介質和拉應力共存。目前，普遍在焊接冷卻后用退火的方法來消除殘余應力。但是，焊接冷卻更容易產生殘余應力，反而浪費資源增加了焊接殘余應力。焊接后熱處理的技術，能夠盡快的消除殘余應力。焊接后熱處理的方法，先將金屬材料預熱到熱處理的溫度，在焊接時保持這樣的溫度，直到焊接完成以后才開始緩慢的將材料冷卻下來。這樣的方式，可以將焊接殘余的應力降低下來，從而提高金屬材料的抗應力腐蝕性。

二、焊后的材料焊接殘余應力的處理實驗

在實驗過程中，實驗材料選擇石油化工行業最常見的20g鋼板，厚度大概為14mm。為了實驗方便，須將這塊鋼板切成三份。每份的形狀都是中間有V型坡口，寬度為10mm，沒有開到底，而在底部預留3mm的厚度。三份即為三塊試件。從中選擇第一塊試件，手工電弧焊接，為正常焊接狀態，即110A電流、36V電壓、140mm/min焊速。第二個試件預熱達到300℃的溫度，并在穩定加熱的情況下使用和第一個試件一樣的焊接參數進行焊接。第二個試件在焊接完以后，要放進保溫棉內進行緩慢的冷卻，焊接后熱處理為300℃溫度。第三塊試件預熱達到500℃溫度，焊接后放進保溫棉內逐漸的冷卻，焊接后熱處理為500℃溫度。之后利用小盲孔的方法來測算每一個試件內的殘余應力。從試件焊縫影響區內，選取部分的金屬，將其做成測腐蝕的試樣，分別放入稀鹽酸和碳酸鈉溶液內，用便攜式的瞬時腐蝕測量儀測算腐蝕試樣處于溶液內的腐蝕速率。在正常焊接狀態的試件，它的焊接周圍殘余的拉應力平均值是=144.4MPa，=76.2MPa。300℃后加熱處理的試件，它的焊接周圍殘余的拉應力平均值為=46.6MPa，=25.2MPa。300℃后加熱處理的試件與正常焊接狀態的試件相比，縱向焊接殘余的拉應力降低了68%，橫向降低了62.1%。500℃后加熱處理的試件，焊接周圍殘余的拉應力平均值為=33.6MPa，=17.6MPa，和正常焊接狀態的試件相比，縱向焊接殘余的拉應力降低了76.1%，橫向降低了76.4%。

在三塊試件的焊縫處分別取下25mmx15mm左右大小的試樣，分別將其放在碳酸鈉和稀鹽酸溶液內。在處于室內基本溫度的條件下，使用便攜式的腐蝕測量儀來測算各試件在酸、堿溶液內的平均腐蝕速率。我們可以發現，熱處理溫度500℃的試件，比正常焊接和300℃溫度熱處理的試件在酸、堿性溶液的平均腐蝕速率要低。300～C熱處理試件在酸性溶液中，其應力腐蝕降低了30%，而在堿性溶液內降低31.7%。500℃熱處理試件在酸性溶液中應力腐蝕降低了49%，堿性溶液內降低了50%。

三、焊接后熱處理效能分析

一是焊接后熱處理會降低焊接殘余應力

在對金屬材料焊接前，需要通過預熱將試件本身的溫差縮小。在焊接時，持續的加熱試件，會造成整個試件出現變化平緩的溫度值。因而在焊接過程中，焊縫和母材就會減少不均勻的變量。焊接完成后，用保溫棉加以冷卻，焊接中殘余的熱量會穩定整個試件。焊縫和母材的溫度差并不大，整體在冷卻變形時，就會均勻變形，從而減少了焊接的殘余應力。因此，焊接后熱處理的溫度越高，那么焊接過程中母材和焊縫之間的溫度差就會減小，從而減少了焊接的殘余應力。

二是焊接后熱處理能夠降低應力腐蝕速率

金屬材料內部的腐蝕介質和殘余拉應力共同影響下，就會出現應力腐蝕開裂的現象。而陽極金屬會在其中不斷的溶解，以至于形成和擴展了應力腐蝕的裂紋。應力腐蝕的過程中，可以將殘余拉應力視為作用應力，因為殘余拉應力會讓金屬處于腐蝕介質內發生鈍化膜錯位，一旦裸露出陽性金屬，就會加快應力腐蝕的開裂速度。試件倘若經受過焊接的熱處理，就可以相應的減少拉應力的數值，避免了破壞金屬表面的鈍化膜，降低應力腐蝕速率。這樣的話，就使得應力腐蝕開裂大大減少。從而就能提高焊件抗應力的腐蝕能力。

四、結束語

本文通過對焊接后熱處理，然后利用小盲孔法來測算每個試件內的應力，并對試件在酸、堿溶液內的平均腐蝕速率進行分析。最終通過實驗數據表明，試件焊接后熱處理的溫度越高，那么消除金屬內的殘余應力效果就會更好。而焊接后熱處理的溫度越高，那么金屬材料的抗應力腐蝕能力也會更好。從而為石油化工行業解決金屬材料內的殘余應力、提高金屬材料的抗應力腐蝕性能提供了實踐依據。

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