焊接是鈦合金海洋工程構(gòu)件建造的必要手段，焊縫金屬熔化、凝固、冷卻收縮，以及內(nèi)部組織變化等會(huì)使材料產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力，特別是在大拘束度條件下，殘余應(yīng)力會(huì)進(jìn)一步增大[1]。在焊接過(guò)程中，大厚度鈦合金板材的熱輸入極大，會(huì)產(chǎn)生很大的殘余應(yīng)力。42 mm厚鈦合金板材的焊接殘余應(yīng)力峰值約為850 MPa，結(jié)構(gòu)件環(huán)焊縫的殘余應(yīng)力峰值約為900 MPa，該值接近材料的屈服強(qiáng)度；110 mm厚鈦合金結(jié)構(gòu)件焊接接頭的殘余應(yīng)力峰值可以達(dá)到695 MPa，接近母材屈服強(qiáng)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(yīng)力，嚴(yán)重影響了接頭的疲勞強(qiáng)度、抗脆斷及應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的能力，同時(shí)會(huì)降低焊接耐壓殼的剛性、靜載強(qiáng)度和尺寸穩(wěn)定性，嚴(yán)重影響整體結(jié)構(gòu)的安全[4-6]。因此，焊接后必須對(duì)焊接接頭進(jìn)行消應(yīng)力處理，以保證結(jié)構(gòu)的安全。 

目前，消除殘余應(yīng)力的主要措施有超聲振動(dòng)、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(shè)備沿焊縫進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的超聲振動(dòng)，理論上殘余應(yīng)力能減小40%左右[8]。整體熱處理是將整個(gè)工件放進(jìn)熱處理爐進(jìn)行退火熱處理，該方法消除殘余應(yīng)力的效果最好，缺點(diǎn)是對(duì)于大型海洋工程結(jié)構(gòu)件來(lái)說(shuō)，整體熱處理難以找到尺寸合適的熱處理爐，同時(shí)經(jīng)濟(jì)成本過(guò)高[9-11]。局部熱處理是僅對(duì)焊縫及兩邊母材部分區(qū)域進(jìn)行熱處理，該方法消除殘余應(yīng)力的效果較好，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的要求低，具有操作簡(jiǎn)便、節(jié)約成本、工期時(shí)間短等明顯優(yōu)勢(shì)[12-13]。 

筆者對(duì)厚度為60 mm的Ti6321鈦合金板材焊接接頭開(kāi)展局部熱處理試驗(yàn)，研究不同加熱溫度、不同保溫時(shí)間、不同加熱寬度等因素對(duì)鈦合金焊接接頭殘余應(yīng)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(jié)構(gòu)件焊接接頭的殘余應(yīng)力控制提供借鑒。 

1.   試驗(yàn)材料與方法

1.1   試驗(yàn)材料

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

1.2   試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用振動(dòng)送絲TIG（鎢極氣體保護(hù)電弧焊）焊接設(shè)備，保護(hù)氣體為純氬氣，采用焊槍和保護(hù)罩對(duì)焊接熔池和焊接高溫區(qū)域進(jìn)行保護(hù)。Ti6321鈦合金試樣焊接工藝參數(shù)如表1所示。 

對(duì)焊接接頭進(jìn)行100%射線(xiàn)檢測(cè)和滲透檢測(cè)，結(jié)果顯示接頭無(wú)裂紋、氣孔、未熔合等缺陷，符合NB/T 47013.2—2015《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè) 第2部分：射線(xiàn)檢測(cè)》Ⅰ級(jí)合格的要求。 

采用局部熱處理設(shè)備對(duì)窄間隙焊接試板開(kāi)展不同參數(shù)局部熱處理消除應(yīng)力試驗(yàn)，試板局部熱處理設(shè)備主要分為3個(gè)部分：測(cè)溫裝置、加熱裝置、保溫裝置，加熱過(guò)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(duì)焊態(tài)和熱處理態(tài)焊接接頭開(kāi)展殘余應(yīng)力測(cè)試。按照GB/T 31310—2014《金屬材料 殘余應(yīng)力測(cè)定 鉆孔應(yīng)變法》標(biāo)準(zhǔn)，采用鉆孔應(yīng)變法進(jìn)行殘余應(yīng)力測(cè)試[16]，測(cè)試位置如圖2所示。 

圖  2  殘余應(yīng)力測(cè)試位置示意

2.   試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1   不同加熱溫度對(duì)焊接接頭殘余應(yīng)力的影響

鈦合金焊接接頭原始態(tài)殘余應(yīng)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(shí)焊接接頭的殘余應(yīng)力峰值變化如圖3所示，其中σx為x方向的殘余應(yīng)力峰值，σy為y方向的殘余應(yīng)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(yuǎn)，殘余應(yīng)力先增大再減小，距離焊縫中心10~20 mm位置的殘余應(yīng)力達(dá)到最大值。 

圖  3  不同加熱溫度時(shí)焊接接頭的殘余應(yīng)力峰值變化

不同加熱溫度時(shí)殘余應(yīng)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(yīng)力峰值減小幅度，Ky為y方向的殘余應(yīng)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(yīng)力峰值逐漸減小，當(dāng)加熱溫度為700 ℃時(shí)，殘余應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)力峰值逐漸減小，當(dāng)加熱溫度為700 ℃時(shí)，殘余應(yīng)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(yīng)力峰值隨著加熱溫度的升高而減小，在450 ℃時(shí)殘余應(yīng)力峰值減小幅度不大，在550~700 ℃時(shí)殘余應(yīng)力峰值明顯減小。隨著加熱溫度的升高，殘余應(yīng)力峰值減小幅度不斷增大，在650，700 ℃時(shí)，x方向與y方向的殘余應(yīng)力峰值減小了50%以上。 

圖  4  不同加熱溫度時(shí)殘余應(yīng)力峰值減小幅度變化

2.2   不同保溫時(shí)間對(duì)焊接接頭殘余應(yīng)力的影響

不同保溫時(shí)間時(shí)焊接接頭的殘余應(yīng)力峰值變化如圖5所示。不同保溫時(shí)間時(shí)焊接接頭的殘余應(yīng)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(shí)間的延長(zhǎng)，與焊縫距離為20 mm處接頭的殘余應(yīng)力峰值逐漸減小，當(dāng)保溫時(shí)間為2 h時(shí)，殘余應(yīng)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(yīng)力隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)而增大；在y方向，殘余應(yīng)力峰值在焊縫中心，隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，接頭的殘余應(yīng)力峰值逐漸減小，當(dāng)加熱溫度為2 h時(shí)，殘余應(yīng)力峰值減小至最小值266.2 MPa，減小幅度為61.7%；隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，殘余應(yīng)力峰值的減小幅度不斷增大，在0.5 h時(shí)，x方向與y方向殘余應(yīng)力峰值的減小幅度均在47%左右，當(dāng)保溫時(shí)間延長(zhǎng)至2 h時(shí)，y方向殘余應(yīng)力峰值的減小幅度為61%，x方向殘余應(yīng)力峰值的減小幅度為55%，表明y方向的殘余應(yīng)力控制對(duì)保溫時(shí)間更敏感。 

圖  5  不同保溫時(shí)間時(shí)焊接接頭的殘余應(yīng)力峰值變化

圖  6  不同保溫時(shí)間時(shí)殘余應(yīng)力峰值減小幅度

2.3   不同加熱寬度對(duì)焊接接頭殘余應(yīng)力的影響

不同加熱寬度時(shí)，焊接接頭的殘余應(yīng)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(shí)，殘余應(yīng)力峰值在距焊縫5 mm處，加熱寬度為300 mm時(shí)，殘余應(yīng)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(yīng)力峰值逐漸減小，當(dāng)加熱寬度為300 mm時(shí)，殘余應(yīng)力減小為368 MPa，減小了38.1%；在y方向，殘余應(yīng)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(yīng)力峰值逐漸減小，當(dāng)加熱寬度為300 mm時(shí)，殘余應(yīng)力峰值減小為452.8 MPa，減小了34.9%。 

圖  7  不同加熱寬度時(shí)殘余應(yīng)力峰值變化

隨著加熱寬度的增大，殘余應(yīng)力峰值的減小值不斷增大，y方向的殘余應(yīng)力控制對(duì)保溫時(shí)間更敏感（見(jiàn)圖8）。 

圖  8  不同加熱寬度時(shí)殘余應(yīng)力峰值減小幅度

3.   結(jié)論

（1）60 mm厚Ti6321合金窄間隙焊接接頭原始態(tài)的殘余應(yīng)力峰值很大，x方向的殘余應(yīng)力峰值為594.6 MPa，y方向的殘余應(yīng)力峰值為696.1 MPa，約為母材屈服強(qiáng)度的0.87倍。在x方向，殘余應(yīng)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(yīng)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(yīng)力峰值不斷減小。 

（2）在局部熱處理保溫時(shí)間為1 h，加熱寬度為240 mm時(shí)，隨著局部加熱溫度的升高，接頭的殘余應(yīng)力峰值不斷減小，峰值減小幅度與溫度成正比，在700 ℃時(shí)，殘余應(yīng)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(shí)，隨著局部保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，接頭的殘余應(yīng)力峰值不斷減小，峰值減小幅度與保溫時(shí)間成正比，在2 h時(shí)，殘余應(yīng)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(shí)間為1 h時(shí)，隨著局部加熱寬度的增大，接頭的殘余應(yīng)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(shí)，殘余應(yīng)力峰值的最大減小幅度為38%。 

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

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