研究焊接后熱處理對(duì)金屬材料抗應(yīng)力腐蝕性能的影響

張瑜

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

關(guān)鍵詞：焊接后熱處理；焊接殘余應(yīng)力

焊件在焊接的過(guò)程中，一些加工應(yīng)力、相變應(yīng)力等超過(guò)屈服極限，使得焊件在冷卻之后還有著遺留下的應(yīng)力。焊接殘余的應(yīng)力會(huì)嚴(yán)重影響焊接構(gòu)件的抗應(yīng)力腐蝕性能，因此需要通過(guò)一些技術(shù)加以處理。焊接后熱處理一種降低焊接所殘余的應(yīng)力的方法。本文就對(duì)焊接后熱處理對(duì)金屬材料抗應(yīng)力腐蝕性能的影響進(jìn)行研究。

一、焊后的材料焊接殘余應(yīng)力的處理

目前，在我國(guó)安裝大型設(shè)備都采取現(xiàn)場(chǎng)安裝?，F(xiàn)場(chǎng)安裝的工程常用到焊接工藝。焊接工藝對(duì)材料的局部加熱，會(huì)產(chǎn)生瞬間高度集中的溫度，使得材料產(chǎn)生不均勻的現(xiàn)象。由于應(yīng)力過(guò)大，出現(xiàn)了屈服極限。焊后的材料有著很強(qiáng)的焊接殘余應(yīng)力。殘余應(yīng)力會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕，會(huì)影響到壓力容器的使用。應(yīng)力腐蝕只會(huì)在特定的環(huán)境中出現(xiàn)，必須存在應(yīng)力才會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕裂紋。應(yīng)力腐蝕斷裂屬于滯后的破壞，有著低應(yīng)力、脆性的特點(diǎn)。在我國(guó)石油化工行業(yè)，應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的現(xiàn)象時(shí)常發(fā)生，因?yàn)榻饘俨牧蟽?nèi)的腐蝕介質(zhì)和拉應(yīng)力共存。目前，普遍在焊接冷卻后用退火的方法來(lái)消除殘余應(yīng)力。但是，焊接冷卻更容易產(chǎn)生殘余應(yīng)力，反而浪費(fèi)資源增加了焊接殘余應(yīng)力。焊接后熱處理的技術(shù)，能夠盡快的消除殘余應(yīng)力。焊接后熱處理的方法，先將金屬材料預(yù)熱到熱處理的溫度，在焊接時(shí)保持這樣的溫度，直到焊接完成以后才開(kāi)始緩慢的將材料冷卻下來(lái)。這樣的方式，可以將焊接殘余的應(yīng)力降低下來(lái)，從而提高金屬材料的抗應(yīng)力腐蝕性。

二、焊后的材料焊接殘余應(yīng)力的處理實(shí)驗(yàn)

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，實(shí)驗(yàn)材料選擇石油化工行業(yè)最常見(jiàn)的20g鋼板，厚度大概為14mm。為了實(shí)驗(yàn)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(méi)有開(kāi)到底，而在底部預(yù)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(tài)，即110A電流、36V電壓、140mm/min焊速。第二個(gè)試件預(yù)熱達(dá)到300℃的溫度，并在穩(wěn)定加熱的情況下使用和第一個(gè)試件一樣的焊接參數(shù)進(jìn)行焊接。第二個(gè)試件在焊接完以后，要放進(jìn)保溫棉內(nèi)進(jìn)行緩慢的冷卻，焊接后熱處理為300℃溫度。第三塊試件預(yù)熱達(dá)到500℃溫度，焊接后放進(jìn)保溫棉內(nèi)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(lái)測(cè)算每一個(gè)試件內(nèi)的殘余應(yīng)力。從試件焊縫影響區(qū)內(nèi)，選取部分的金屬，將其做成測(cè)腐蝕的試樣，分別放入稀鹽酸和碳酸鈉溶液內(nèi)，用便攜式的瞬時(shí)腐蝕測(cè)量?jī)x測(cè)算腐蝕試樣處于溶液內(nèi)的腐蝕速率。在正常焊接狀態(tài)的試件，它的焊接周圍殘余的拉應(yīng)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(yīng)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(tài)的試件相比，縱向焊接殘余的拉應(yīng)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(yīng)力平均值為=33.6MPa，=17.6MPa，和正常焊接狀態(tài)的試件相比，縱向焊接殘余的拉應(yīng)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(nèi)。在處于室內(nèi)基本溫度的條件下，使用便攜式的腐蝕測(cè)量?jī)x來(lái)測(cè)算各試件在酸、堿溶液內(nèi)的平均腐蝕速率。我們可以發(fā)現(xiàn)，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(yīng)力腐蝕降低了30%，而在堿性溶液內(nèi)降低31.7%。500℃熱處理試件在酸性溶液中應(yīng)力腐蝕降低了49%，堿性溶液內(nèi)降低了50%。

三、焊接后熱處理效能分析

一是焊接后熱處理會(huì)降低焊接殘余應(yīng)力

在對(duì)金屬材料焊接前，需要通過(guò)預(yù)熱將試件本身的溫差縮小。在焊接時(shí)，持續(xù)的加熱試件，會(huì)造成整個(gè)試件出現(xiàn)變化平緩的溫度值。因而在焊接過(guò)程中，焊縫和母材就會(huì)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(huì)穩(wěn)定整個(gè)試件。焊縫和母材的溫度差并不大，整體在冷卻變形時(shí)，就會(huì)均勻變形，從而減少了焊接的殘余應(yīng)力。因此，焊接后熱處理的溫度越高，那么焊接過(guò)程中母材和焊縫之間的溫度差就會(huì)減小，從而減少了焊接的殘余應(yīng)力。

二是焊接后熱處理能夠降低應(yīng)力腐蝕速率

金屬材料內(nèi)部的腐蝕介質(zhì)和殘余拉應(yīng)力共同影響下，就會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的現(xiàn)象。而陽(yáng)極金屬會(huì)在其中不斷的溶解，以至于形成和擴(kuò)展了應(yīng)力腐蝕的裂紋。應(yīng)力腐蝕的過(guò)程中，可以將殘余拉應(yīng)力視為作用應(yīng)力，因?yàn)闅堄嗬瓚?yīng)力會(huì)讓金屬處于腐蝕介質(zhì)內(nèi)發(fā)生鈍化膜錯(cuò)位，一旦裸露出陽(yáng)性金屬，就會(huì)加快應(yīng)力腐蝕的開(kāi)裂速度。試件倘若經(jīng)受過(guò)焊接的熱處理，就可以相應(yīng)的減少拉應(yīng)力的數(shù)值，避免了破壞金屬表面的鈍化膜，降低應(yīng)力腐蝕速率。這樣的話，就使得應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂大大減少。從而就能提高焊件抗應(yīng)力的腐蝕能力。

四、結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)焊接后熱處理，然后利用小盲孔法來(lái)測(cè)算每個(gè)試件內(nèi)的應(yīng)力，并對(duì)試件在酸、堿溶液內(nèi)的平均腐蝕速率進(jìn)行分析。最終通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，試件焊接后熱處理的溫度越高，那么消除金屬內(nèi)的殘余應(yīng)力效果就會(huì)更好。而焊接后熱處理的溫度越高，那么金屬材料的抗應(yīng)力腐蝕能力也會(huì)更好。從而為石油化工行業(yè)解決金屬材料內(nèi)的殘余應(yīng)力、提高金屬材料的抗應(yīng)力腐蝕性能提供了實(shí)踐依據(jù)。

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