Ｔ ＧＹ Ｌ． 焊接后热处理技术及焊接残余应力的影响 董晓玲 （吉林石油集团有限责任公司特种设备检验中心。吉林松原１３８００１） 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：１６７卜７５９７（２Ｏ１ ３）１ ３－００８４—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。 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 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。 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。 １＿２焊接参数的影响 ２．３造成焊接结构的刚度不足 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，［大ｌ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，此时温度南８ｏ０℃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 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Ｔ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 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。 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。 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 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 ２０１３￣１３期总第１３３期 Ｓ¨－－ＣｏＮ ＶＡＬＬＥＹ 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。 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一１２ 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％一５０％，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。 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，保持一定的时问之后，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 参考文献 ［１］徐富家，吕耀辉，徐滨士．焊接快速成形金属零件的残余应 力与变形…．焊接技术，２Ｏ１１（１）． 【２］潘华，方洪渊．局部加载拉应力对平板焊接残余应力场的影 响［Ｊ］．焊接学报，２００８（８）． 将焊件焊接之后的残余应力场分布状况，以初始状态导人 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１ＯＯ Ｍｐａ左右。这主 ［３】李均峰，宋天民，张国福，等．逆焊接消除焊接残余应力工 艺及机理研究［Ｊ］．热加工工艺，２００８（１ ３）． ［４］王岩，宋天民，张国福，等．逆焊接处理对不同材料抗应力 腐蚀性能的影响［Ｊ】．辽宁石油化工大学学报，２００７（３）． ［５］刘俊松，陈学东，刘全坤，等．焊接ＨＡＺ热处理后性能影响因 素分析［Ｊ］．热加工工艺，２０１２（１）． ［６】孙英学，孙平．焊接残余应力有限元分析技术研究［Ｊ】．核动 力工程，２００９（２）． ｔｔ（上接第８６页）ｆｆ 参考文献 ＂（上接第８７页）＂ 调节汽门、旋转隔板，汽机跳闸。ＤＥＨ系统还通过通讯的方式 ［１］石励，王奕，王玫．高可用性舰船网络系统研究［Ｊ］．计算机 与数字工程，２０１２，４Ｏ（３）：６卜６５． 与浙大中控的ＤＣＳ建立数据连接，可以通过协制的功能 实现对高调门的操作，快减负荷，实现了火电厂机、电、炉的 ＤＣＳ一体化控制。 ［２】张卫东．新一代数据中心网络虚拟化的ＩＲＦ技术研究［Ｊ】．电脑 知识与技术，２０１１，７（３６）：９ ３７ ５－９３７７． ４结束语 今天，随着计算机技术的迅速发展，ＤＥＨ数字电液调节系 统的未来发展将更加迅速，我们将在熟悉掌握好现有调节系统 的基础上，更深人地学习探索昆钢汽轮发电机组使用数字电液 调节系统的未来发展方向，更好地为昆钢今后发展作贡献。 参考文献 【３］孙振华，赵咪，孙楠楠．浅谈ＩＲＦ２及校园网的应用［Ｊ】．山东 职业技术学报，２Ｏｌ ２，１２（２）：９５—９８． ［４】ＩＲＦ２￣ｋ网络变的简单．２０１ ０，ｈｔｔＤ：／／ｎｅｔｗｏｒｋ．ｃｈｉｎａｂｙｔｅ． ｃｏｍ／２００／１１１２５ ７Ｏ０．ｓｈｔｍ１． ［５］高卫斌，刘云，苏锋．ＩＲＦ在校园网络规划与设计中的应用 ［Ｊ］．软件导刊，２Ｏ１ ０，９（１２）：１４５－１４６． ［６］王玫．ＩＲＦ在舰船网络设计中的应用研究［Ｊ】．舰船电子工程， ２Ｏｌ２，３２（２），１ ７－１９． ［１】刘遵义，周志平．汽轮机调速系统参数实测与仿真研究［Ｊ】． 河南电力，２００８（０２）． ［７］杨凯．ＩＲＦ在电力调度主站系统网络平台中的应用［Ｊ］．电力系 统ＩＴ，２０１２，１０（１２）：７３～７６． 【２】高伟，李阳海，黄树红，王大光，汤延令．６０ＯＭｗ汽轮机调速 系统试验及辨识研究…．汽轮机技术，２００６（０４）． 【３］武海澄，蔡兵，陈胜利，施壮．汽轮机调速系统参数辨识软 件设计［Ｊ】．内蒙古电力技术，２０１０（０２）．
