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域進行熱處理，該方法消除殘余應力的效果較好，對現場環境的要求低，具有操作簡便、節約成本、工期時間短等明顯優勢[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律，以獲得最優的局部熱處理工藝，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域進行保護。Ti6321鈦合金試樣焊接工藝參數如表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、加熱區及保溫區[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如表2所示[15]。

圖 1試板局部加熱方法示意

對焊態和熱處理態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