材料焊接过程的处理工艺

焊接处理可以改善焊缝组织,释放残余应力,校正焊接变形,提高力学性能,阻止裂纹的扩展等。各种焊接处理工艺在使用对象、施加方式、应用限制、工艺原理等方面都有较大差别,按照处理时的焊接状态焊接处理工艺可分为:焊前处理、随焊处理和焊后处理三类。

焊前处理

预热处理,它是通过降低焊接的急热幅度和冷却速度,达到减少焊接应力、加速氢扩散、避免淬硬组织和防止冷裂纹的目的。与热处理主要适用于焊接性差,合金元素含量和结构拘束度高,淬硬和开裂倾向大的材料。预热处理存在生产工艺复杂、生产成本高、生产效率低、工作环境恶化、热影响区软化倾向增大等缺点,而且某些特殊结构难以实现,甚至不允许采用预热处理。

预拉伸处理,它是通过预加拉应力与焊接应力场的叠加改变工件的应力场分布,达到控制焊接应力和变形的目的。该工艺适用于因弹性模量小、线膨胀系数大、高温塑性差引起残余应力失稳变形的材料。

预加载处理和预碾压处理,其操作和原理与预拉伸相似。

随焊处理

随焊碾压,它是通过前后碾压轮对焊后高温焊趾和焊缝进行冲击碾压,前轮为内凹周面,可迫使焊趾金属向焊缝中心流动以抵消拉伸应变,从而防止焊接热裂纹;后轮为外凸周面,可将焊缝的纵向和横向压缩应变以及前轮对焊缝的横向挤压应变碾开而使焊缝充分延展,从而消除焊接残余应力和变形。这种工艺的设备简单、成本低、效率高、焊缝质量好,但只适用于平面和小倾角的焊件。

随焊旋转挤压,它是通过圆柱状挤压头紧随焊弧对焊缝进行同步旋转挤压,延展因焊接变短的焊缝以降低纵向残余拉应力,达到控制焊接变形的目的。这种工艺具有工作噪声小、作业环境好、易于实现自动化等特点。

随焊锤击,这种方法可有效控制焊接热裂纹及焊缝的纵向和横向变形,主要适用于直焊缝和封闭环焊缝,基本原理与碾压法相似,具有设备简单和质量轻的优点。

随焊激冷,这种处理方法是通过大热容低温的液体或固体在焊接温度场叠加负温度场,达到减小焊接残余应力和减小焊接变形的目的。热影响区晶粒得到细化,街头性能特别是冲击性能得到较大提升。该工艺采用液氮或干冰与工件直接接触,易造成熔池污染和气孔缺陷,并且该处理过程中必须结合温差拉伸,因此会一定程度影响生产率和成本。

随焊预拉伸,它是通过对焊接过程中的焊件预加应力来改变焊件的瞬态热应力分布和调整热源局部加热产生的不平衡应力,达到控制焊接残余应力和变形的目的。随着预应力作用的扩大,纵向残余拉应力峰值和纵向残余弹塑性变形量均减小。

随焊电磁感应,它是通过在焊接热源后方同步跟踪电磁感应加热来控制接头的冷却过程,这种方法主要用于控制焊缝熔合区裂纹,特别是冷裂纹的形成和扩展。

振动焊接,它是以振动时效为基础发展起来的,主要原理是通过在焊接过程中根据不同构件附加不同参数的机械振动,达到提高焊接接头的力学性能、改善焊缝组织、减小残余应力的目的。根据振源不同分为低频振动焊接(低于200Hz)和高频震动焊接(高于1000Hz),目前应用较多的是低频振动焊接。

焊后处理

自燃时效，它是通过将焊件露天放置并经历数月甚至数年的风吹日晒雨淋即温度变化，使焊件承受反复多次的温度应力形成的过载，达到松弛残余应力并获得稳定尺寸精度的目的。这种方法简单易行、成本低廉、稳定性好，但释放残余应力幅度小、处理周期长、占用场地面积大、不易管理等缺点。

振动时效，它是通过使施加在工件上的机械振动与工件残余内应力的矢量、超过材料的屈服强度所引起的材料微塑性变形，达到降低焊接残余应力，控制工件变形、开裂稳定工件尺寸、几何精度等的目的。这种工艺的适用性强、销应力效果好、成本低，但对振动交变应力造成构件疲劳损伤、掌握处理时间和效果有困难，应用不太广。

热时效，它是通过高温条件下材料的屈服强度将减小至小于函件内应力的原理，通过将焊件加热至特定温度并保温特定时间后再控制缓慢降温，使材料发生微塑性变形而达到释放残余应力的目的。这种处理效果比较明显，但存在设备和生产成本较高、使热处理效果降低、必须与其他工艺配合使用、工件受退火炉尺寸的限制等缺点。

焊后锤击，它是通过使焊件局部塑性延长而释放焊接应变，达到降低残余应力的目的，该处理工艺具有设备简单技术成本低的优点，但是劳动强度大、工作效率低、环境噪声大、工件表面质量较差。

焊后碾压，它是利用圆盘形碾压轮对接头进行碾压，并通过街头区域的延展抵消焊接引起的收缩，达到矫正焊接变形的目的。该方法具有劳动强度和环境噪声小、矫正精度高、工件表面质量好等优点，其缺点是需要专门的设备，而且只能处理有规则焊缝的结构。

爆炸处理，它是利用炸药爆炸瞬间产生的强冲击波使覆盖区域强力扰动并发生塑性变形达到消除接头残余应力、提高接头的抗应力腐蚀、抗疲劳、抗脆断性能的目的。这种方法具有使用炸药少和作用区域集中的优点,可以降低残余应力,并产生短程滑移、应变时效硬化、加工硬化和微观缺陷钝化的效果。该处理方法工艺设备和工艺简便,不受处理对象尺寸和材质的限制。但对焊冶金缺陷的接头应用爆炸处理会适得其反,使缺陷更严重,甚至炸裂。

脉冲磁处理,它是利用动态磁场与铁磁性材料的相互作用来改善工件的残余应力分布。脉冲磁场可是钢铁材料的残余应力整体下降,最高下降幅度可达40%。但脉冲磁处理的过程非常复杂,不同处理条件甚至会引起相反的应力变化趋势。

喷丸处理,它是利用弹丸与工件碰撞产生的瞬间外力对工件表层的冷挤压,造成表层冷作硬化、表面塑性变形、表面纳米化等,能够显著提高工件的抗疲劳性能和抗应力腐蚀能力,并使接头组织改善,使残余拉应力转变为压应力,达到提高接头性能的目的。喷丸处理产生的压应力深度约为0.25mm，而在材料表面产生0.76mm的凹痕，使表面粗糙度增大。

激光冲击，它是通过脉冲激光束冲击金属表面，使材料产生塑性变形的技术。其产生的塑性变形和压应力深度明显大于其它表面处理工艺，它能大幅提高材料的抗疲劳性能、断裂韧性、应力腐蚀抗力，具有无工艺余料、加工柔性大、残余压应力大河应力层深度精确可控等优点，但设备较贵。

超声冲击，它是通过大功率超声对焊缝表面的冲击而产生压缩塑性变形，使焊缝残余拉应力转变为压应力。这种工艺通过对焊缝组织的改性疏松而使微裂纹以及焊道的咬边和凹陷等缺陷减少，可有效降低残余应力、改善焊缝组织、减少焊接气孔、提高接头的疲劳强度。该处理工艺具有设备简单、工艺灵活、适应性强等优点。

逆焊接加热处理，它是利用冷却介质使焊缝获得低于相邻区域的负温差，使焊缝受周围金属的约束而发生拉伸塑性变形，从而抵消焊接过程中的压缩塑性变形，达到消除焊接残余应力，当温差足够大时，共件表面可能形成双向压缩残余应力。主要适用于对应力腐蚀有特殊要求的工件。

深冷处理，它是将工件浸入液氮中，待工件冷透后迅速取出，再利用高温高压的蒸汽喷射进行逆淬火，以消除淬火引起残余应力。这种方法可有效提高材料的力学性能和使用寿命，具有操作简单、无污染、成本低、不破坏工件的优点，但缺点是对机械加工、冷成型及焊接所引起的残余应力的消除效果不明显且处理成本较高。