焊接是鈦合金海洋工程構件建造的必要手段，焊縫金屬熔化、凝固、冷卻收縮，以及內部組織變化等會使材料產生較大的殘余應力，特別是在大拘束度條件下，殘余應力會進一步增大[1]。在焊接過程中，大厚度鈦合金板材的熱輸入極大，會產生很大的殘余應力。42 mm厚鈦合金板材的焊接殘余應力峰值約為850 MPa，結構件環(huán)焊縫的殘余應力峰值約為900 MPa，該值接近材料的屈服強度；110 mm厚鈦合金結構件焊接接頭的殘余應力峰值可以達到695 MPa，接近母材屈服強度的0.68倍[2-3]。

大厚度鈦合金焊接完后存在很大的殘余應力，嚴重影響了接頭的疲勞強度、抗脆斷及應力腐蝕開裂的能力，同時會降低焊接耐壓殼的剛性、靜載強度和尺寸穩(wěn)定性，嚴重影響整體結構的安全[4-6]。因此，焊接后必須對焊接接頭進行消應力處理，以保證結構的安全。

目前，消除殘余應力的主要措施有超聲振動、整體熱處理、局部熱處理等[7]。每填充一道焊縫就需要使用設備沿焊縫進行長時間的超聲振動，理論上殘余應力能減小40%左右[8]。整體熱處理是將整個工件放進熱處理爐進行退火熱處理，該方法消除殘余應力的效果最好，缺點是對于大型海洋工程結構件來說，整體熱處理難以找到尺寸合適的熱處理爐，同時經(jīng)濟成本過高[9-11]。局部熱處理是僅對焊縫及兩邊母材部分區(qū)域進行熱處理，該方法消除殘余應力的效果較好，對現(xiàn)場環(huán)境的要求低，具有操作簡便、節(jié)約成本、工期時間短等明顯優(yōu)勢[12-13]。

筆者對厚度為60 mm的Ti6321鈦合金板材焊接接頭開展局部熱處理試驗，研究不同加熱溫度、不同保溫時間、不同加熱寬度等因素對鈦合金焊接接頭殘余應力的影響規(guī)律，以獲得最優(yōu)的局部熱處理工藝，為大型結構件焊接接頭的殘余應力控制提供借鑒。

1. 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

以Ti6321鈦合金試樣為研究對象，焊接試樣的尺寸為60 mm×200 mm×400 mm（長度×寬度×高度），焊接材料為直徑1.2 mm的配套焊絲。

1.2 試驗方法

試驗采用振動送絲TIG（鎢極氣體保護電弧焊）焊接設備，保護氣體為純氬氣，采用焊槍和保護罩對焊接熔池和焊接高溫區(qū)域進行保護。Ti6321鈦合金試樣焊接工藝參數(shù)如表1所示。

對焊接接頭進行100%射線檢測和滲透檢測，結果顯示接頭無裂紋、氣孔、未熔合等缺陷，符合NB/T 47013.2—2015《承壓設備無損檢測 第2部分：射線檢測》Ⅰ級合格的要求。

采用局部熱處理設備對窄間隙焊接試板開展不同參數(shù)局部熱處理消除應力試驗，試板局部熱處理設備主要分為3個部分：測溫裝置、加熱裝置、保溫裝置，加熱過程中以焊縫為中心分布均溫區(qū)、加熱區(qū)及保溫區(qū)[14]。試板局部加熱方法如圖1所示。焊接Ti6321鈦合金試樣的局部熱處理工藝參數(shù)如表2所示[15]。

圖 1試板局部加熱方法示意

對焊態(tài)和熱處理態(tài)焊接接頭開展殘余應力測試。按照GB/T 31310—2014《金屬材料 殘余應力測定 鉆孔應變法》標準，采用鉆孔應變法進行殘余應力測試[16]，測試位置如圖2所示。

圖 2殘余應力測試位置示意

2. 試驗結果及分析

2.1 不同加熱溫度對焊接接頭殘余應力的影響

鈦合金焊接接頭原始態(tài)殘余應力x方向的峰值為594.6 MPa，y方向的峰值為696.1 MPa。不同加熱溫度時焊接接頭的殘余應力峰值變化如圖3所示，其中σx為x方向的殘余應力峰值，σy為y方向的殘余應力峰值，L為與焊縫中心的距離。由圖3可知：以焊縫為中心，距離焊縫中心越遠，殘余應力先增大再減小，距離焊縫中心10~20 mm位置的殘余應力達到最大值。

圖 3不同加熱溫度時焊接接頭的殘余應力峰值變化

不同加熱溫度時殘余應力峰值減小幅度變化如圖4所示，其中Kx為x方向的殘余應力峰值減小幅度，Ky為y方向的殘余應力峰值減小幅度。由圖4可知：在x方向，隨著局部加熱溫度的升高，接頭的殘余應力峰值逐漸減小，當加熱溫度為700 ℃時，殘余應力峰值從原始態(tài)的594.6 MPa減小至189.8 MPa，減小了68.1%；焊縫中心的殘余應力峰值隨著加熱溫度的升高而減小，但整體減小幅度不大，殘余應力峰值為150~250 MPa；在y方向，隨著局部加熱溫度的升高，接頭的殘余應力峰值逐漸減小，當加熱溫度為700 ℃時，殘余應力峰值從原始態(tài)的696.1 MPa減小至261.9 MPa，減小了62.4%；焊縫中心的殘余應力峰值隨著加熱溫度的升高而減小，在450 ℃時殘余應力峰值減小幅度不大，在550~700 ℃時殘余應力峰值明顯減小。隨著加熱溫度的升高，殘余應力峰值減小幅度不斷增大，在650，700 ℃時，x方向與y方向的殘余應力峰值減小了50%以上。

圖 4不同加熱溫度時殘余應力峰值減小幅度變化

2.2 不同保溫時間對焊接接頭殘余應力的影響

不同保溫時間時焊接接頭的殘余應力峰值變化如圖5所示。不同保溫時間時焊接接頭的殘余應力峰值減小幅度如圖6所示。由圖6可知：在x方向，隨著保溫時間的延長，與焊縫距離為20 mm處接頭的殘余應力峰值逐漸減小，當保溫時間為2 h時，殘余應力峰值減小至最小值263.6 MPa，減小了55.6%，焊縫中心的殘余應力隨著保溫時間的延長而增大；在y方向，殘余應力峰值在焊縫中心，隨著保溫時間的延長，接頭的殘余應力峰值逐漸減小，當加熱溫度為2 h時，殘余應力峰值減小至最小值266.2 MPa，減小幅度為61.7%；隨著保溫時間的延長，殘余應力峰值的減小幅度不斷增大，在0.5 h時，x方向與y方向殘余應力峰值的減小幅度均在47%左右，當保溫時間延長至2 h時，y方向殘余應力峰值的減小幅度為61%，x方向殘余應力峰值的減小幅度為55%，表明y方向的殘余應力控制對保溫時間更敏感。

圖 5不同保溫時間時焊接接頭的殘余應力峰值變化

圖 6不同保溫時間時殘余應力峰值減小幅度

2.3 不同加熱寬度對焊接接頭殘余應力的影響

不同加熱寬度時，焊接接頭的殘余應力變化如圖7所示。由圖7可知：在x方向，加熱寬度為120，240 mm時，殘余應力峰值在距焊縫5 mm處，加熱寬度為300 mm時，殘余應力峰值在距焊縫25 mm處，隨著加熱寬度的增大，接頭的殘余應力峰值逐漸減小，當加熱寬度為300 mm時，殘余應力減小為368 MPa，減小了38.1%；在y方向，殘余應力峰值距焊縫中心5 mm處，隨著加熱寬度的增大，接頭的殘余應力峰值逐漸減小，當加熱寬度為300 mm時，殘余應力峰值減小為452.8 MPa，減小了34.9%。

圖 7不同加熱寬度時殘余應力峰值變化

隨著加熱寬度的增大，殘余應力峰值的減小值不斷增大，y方向的殘余應力控制對保溫時間更敏感（見圖8）。

圖 8不同加熱寬度時殘余應力峰值減小幅度

3. 結論

（1）60 mm厚Ti6321合金窄間隙焊接接頭原始態(tài)的殘余應力峰值很大，x方向的殘余應力峰值為594.6 MPa，y方向的殘余應力峰值為696.1 MPa，約為母材屈服強度的0.87倍。在x方向，殘余應力隨著與焊縫中心距離的增大而先增大再減小，峰值在距焊縫中心10~20 mm處；在y方向上，殘余應力峰值在距焊縫中心0~5 mm處，隨著與焊縫中心距離的增大，殘余應力峰值不斷減小。

（2）在局部熱處理保溫時間為1 h，加熱寬度為240 mm時，隨著局部加熱溫度的升高，接頭的殘余應力峰值不斷減小，峰值減小幅度與溫度成正比，在700 ℃時，殘余應力峰值的減小幅度大于62%。

（3）在局部熱處理加熱溫度為650 ℃，加熱寬度為240 mm時，隨著局部保溫時間的延長，接頭的殘余應力峰值不斷減小，峰值減小幅度與保溫時間成正比，在2 h時，殘余應力峰值的最大減小幅度為61%。

（4）在局部熱處理加熱溫度為550 ℃，保溫時間為1 h時，隨著局部加熱寬度的增大，接頭的殘余應力峰值不斷減小，峰值減小幅度與加熱寬度成正比，在300 mm時，殘余應力峰值的最大減小幅度為38%。

（5）當局部加熱溫度為650~700 ℃、保溫時間為1~2 h、加熱寬度為240~300 mm時，鈦合金窄間隙焊接接頭的殘余應力峰值可以減小50%以上。

文章來源——材料與測試網(wǎng)