研究焊接后热处理对金属材料抗应力腐蚀性能的影响

张瑜

摘要：目前，在石油化工行业，普遍在焊接冷却后用退火的方法来消除残余应力。但是，焊接冷却更容易产生残余应力，反而浪费资源增加了焊接残余应力。焊接后热处理的技术，能够尽快的消除残余应力。本文对焊接后热处理对金属材料抗应力腐蚀性能的影响进行了探讨分析。

关键词：焊接后热处理；焊接残余应力

焊件在焊接的过程中，一些加工应力、相变应力等超过屈服极限，使得焊件在冷却之后还有着遗留下的应力。焊接残余的应力会严重影响焊接构件的抗应力腐蚀性能，因此需要通过一些技术加以处理。焊接后热处理一种降低焊接所残余的应力的方法。本文就对焊接后热处理对金属材料抗应力腐蚀性能的影响进行研究。

一、焊后的材料焊接残余应力的处理

目前，在我国安装大型设备都采取现场安装。现场安装的工程常用到焊接工艺。焊接工艺对材料的局部加热，会产生瞬间高度集中的温度，使得材料产生不均匀的现象。由于应力过大，出现了屈服极限。焊后的材料有着很强的焊接残余应力。残余应力会出现应力腐蚀，会影响到压力容器的使用。应力腐蚀只会在特定的环境中出现，必须存在应力才会出现应力腐蚀裂纹。应力腐蚀断裂属于滞后的破坏，有着低应力、脆性的特点。在我国石油化工行业，应力腐蚀开裂的现象时常发生，因为金属材料内的腐蚀介质和拉应力共存。目前，普遍在焊接冷却后用退火的方法来消除残余应力。但是，焊接冷却更容易产生残余应力，反而浪费资源增加了焊接残余应力。焊接后热处理的技术，能够尽快的消除残余应力。焊接后热处理的方法，先将金属材料预热到热处理的温度，在焊接时保持这样的温度，直到焊接完成以后才开始缓慢的将材料冷却下来。这样的方式，可以将焊接残余的应力降低下来，从而提高金属材料的抗应力腐蚀性。

二、焊后的材料焊接残余应力的处理实验

在实验过程中，实验材料选择石油化工行业最常见的20g钢板，厚度大概为14mm。为了实验方便，须将这块钢板切成三份。每份的形状都是中间有V型坡口，宽度为10mm，没有开到底，而在底部预留3mm的厚度。三份即为三块试件。从中选择第一块试件，手工电弧焊接，为正常焊接状态，即110A电流、36V电压、140mm/min焊速。第二个试件预热达到300℃的温度，并在稳定加热的情况下使用和第一个试件一样的焊接参数进行焊接。第二个试件在焊接完以后，要放进保温棉内进行缓慢的冷却，焊接后热处理为300℃温度。第三块试件预热达到500℃温度，焊接后放进保温棉内逐渐的冷却，焊接后热处理为500℃温度。之后利用小盲孔的方法来测算每一个试件内的残余应力。从试件焊缝影响区内，选取部分的金属，将其做成测腐蚀的试样，分别放入稀盐酸和碳酸钠溶液内，用便携式的瞬时腐蚀测量仪测算腐蚀试样处于溶液内的腐蚀速率。在正常焊接状态的试件，它的焊接周围残余的拉应力平均值是=144.4MPa，=76.2MPa。300℃后加热处理的试件，它的焊接周围残余的拉应力平均值为=46.6MPa，=25.2MPa。300℃后加热处理的试件与正常焊接状态的试件相比，纵向焊接残余的拉应力降低了68%，横向降低了62.1%。500℃后加热处理的试件，焊接周围残余的拉应力平均值为=33.6MPa，=17.6MPa，和正常焊接状态的试件相比，纵向焊接残余的拉应力降低了76.1%，横向降低了76.4%。

在三块试件的焊缝处分别取下25mmx15mm左右大小的试样，分别将其放在碳酸钠和稀盐酸溶液内。在处于室内基本温度的条件下，使用便携式的腐蚀测量仪来测算各试件在酸、碱溶液内的平均腐蚀速率。我们可以发现，热处理温度500℃的试件，比正常焊接和300℃温度热处理的试件在酸、碱性溶液的平均腐蚀速率要低。300～C热处理试件在酸性溶液中，其应力腐蚀降低了30%，而在碱性溶液内降低31.7%。500℃热处理试件在酸性溶液中应力腐蚀降低了49%，碱性溶液内降低了50%。

三、焊接后热处理效能分析

一是焊接后热处理会降低焊接残余应力

在对金属材料焊接前，需要通过预热将试件本身的温差缩小。在焊接时，持续的加热试件，会造成整个试件出现变化平缓的温度值。因而在焊接过程中，焊缝和母材就会减少不均匀的变量。焊接完成后，用保温棉加以冷却，焊接中残余的热量会稳定整个试件。焊缝和母材的温度差并不大，整体在冷却变形时，就会均匀变形，从而减少了焊接的残余应力。因此，焊接后热处理的温度越高，那么焊接过程中母材和焊缝之间的温度差就会减小，从而减少了焊接的残余应力。

二是焊接后热处理能够降低应力腐蚀速率

金属材料内部的腐蚀介质和残余拉应力共同影响下，就会出现应力腐蚀开裂的现象。而阳极金属会在其中不断的溶解，以至于形成和扩展了应力腐蚀的裂纹。应力腐蚀的过程中，可以将残余拉应力视为作用应力，因为残余拉应力会让金属处于腐蚀介质内发生钝化膜错位，一旦裸露出阳性金属，就会加快应力腐蚀的开裂速度。试件倘若经受过焊接的热处理，就可以相应的减少拉应力的数值，避免了破坏金属表面的钝化膜，降低应力腐蚀速率。这样的话，就使得应力腐蚀开裂大大减少。从而就能提高焊件抗应力的腐蚀能力。

四、结束语

本文通过对焊接后热处理，然后利用小盲孔法来測算每个试件内的应力，并对试件在酸、碱溶液内的平均腐蚀速率进行分析。最终通过实验数据表明，试件焊接后热处理的温度越高，那么消除金属内的残余应力效果就会更好。而焊接后热处理的温度越高，那么金属材料的抗应力腐蚀能力也会更好。从而为石油化工行业解决金属材料内的残余应力、提高金属材料的抗应力腐蚀性能提供了实践依据。

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