1、不銹鋼焊接構(gòu)件的振動時效與熱時效摘要：采用振動時效（VSR）和熱時效兩種方法對核電堆內(nèi)構(gòu)件304L不銹鋼方形筒 體（控制棒導(dǎo)向筒）進(jìn)行焊后去應(yīng)力處理。通過對殘余應(yīng)力和工藝變形測定，表明 這兩種方法都可達(dá)到期望的技術(shù)要求。對振動時效的機理及動應(yīng)力對去應(yīng)力效果 的影響作了較詳細(xì)的介紹，并對兩種工藝進(jìn)行了比較。關(guān)鍵詞：振動時效（VSR）；殘余應(yīng)力；不銹鋼；核電1前言核電堆內(nèi)構(gòu)件方形筒體即控制棒導(dǎo)向筒（見圖1），是核反應(yīng)堆內(nèi)尺寸精度要求最 高的焊接構(gòu)件。母材為304L超低碳不銹鋼。它由9塊多孔法蘭板、8根雙孔管、 8根C形管及2個半方管外包殼，通過真空電子束焊及手工氬弧焊組成一體，構(gòu) 成有24個導(dǎo)向孔

2、系的高精度焊接構(gòu)件。外包殼斷面為190mmX190mm，板厚6mm， 工件全長2388mm。它用于反應(yīng)堆控制棒上下運動時的導(dǎo)向，在事故出現(xiàn)時，它 必須保證控制棒在重力作用下迅速插入堆芯，以緊急停堆。因此其制造技術(shù)要求 非常高，焊接過程及焊后去應(yīng)力過程都必須嚴(yán)格控制變形。24個導(dǎo)向孔系在全 長范圍的位置偏差不得大于0.8mm。針對焊后去應(yīng)力的技術(shù)要求，本研究選擇熱 時效及振動時效（VSR-Vibrate Stress Relief）兩種方法進(jìn)行試驗。包括：304L 鋼焊接殘余應(yīng)力的分布，熱時效工藝，振動時效工藝，兩種工藝前后的應(yīng)力變化 及精度變化，通過定量數(shù)據(jù)來確定這兩種工藝能否達(dá)到規(guī)定的技術(shù)要

3、求。為今后 規(guī)模化生產(chǎn)提供重要的試驗依據(jù)。2 304L不銹鋼的焊接殘余應(yīng)力304L是滿足核電堆內(nèi)構(gòu)件要求的優(yōu)質(zhì)超低碳不銹鋼，其化學(xué)成分w（%）為：1.5C， 0.033Mn，9.08Ni， 18.54Cr，0.003Cu，0.023S，0.056P，0.002N。項目組對 304L鋼等離子脈沖對接焊接試板用盲孔法進(jìn)行了殘余應(yīng)力測定，測定的縱向殘 余應(yīng)力分布見圖2。各測點的數(shù)據(jù)由4次測量結(jié)果按統(tǒng)計方法獲得。從總體上看， 其縱向應(yīng)力除焊縫中心外304L鋼與一般碳素結(jié)構(gòu)鋼的主應(yīng)力分布相似，近縫區(qū) 為拉應(yīng)力，遠(yuǎn)焊縫區(qū)為壓應(yīng)力，板邊為低應(yīng)力。但在焊縫中央呈低應(yīng)力甚至壓應(yīng) 力，分布比較離散，與碳素結(jié)構(gòu)鋼有

4、明顯的區(qū)別。304L鋼合金量高，焊縫在冷 卻過程中由于低溫相變后晶粒膨脹，在非填充的等離子對接焊后，焊縫中心在板 平面上凸起，反映了晶粒膨脹的結(jié)果，由此導(dǎo)致低壓力和壓應(yīng)力傾向。這種初始 應(yīng)力分布對振動后的應(yīng)力重新分布有十分明顯的影響，由于振動引起的應(yīng)力均化 作用，焊縫中心應(yīng)力應(yīng)由壓應(yīng)力或低應(yīng)力趨向正應(yīng)力（應(yīng)力上升），但不大于 200MPa（實測峰值應(yīng)力）。3振動時效工藝與熱時效工藝3.1振動時效工藝振動時效是應(yīng)用循環(huán)加載方法，通過動應(yīng)力和殘余應(yīng)力迭加，峰值應(yīng)力區(qū)材料屈 服，應(yīng)力均化，結(jié)構(gòu)應(yīng)力峰值下降，材料強化等效應(yīng)，使結(jié)構(gòu)的彈性工作區(qū)域加 大，以達(dá)到尺寸穩(wěn)定性上升的效果。振動時效與熱時效在去應(yīng)

5、力機理上有明顯的 區(qū)別，其特點是：（1）從宏觀上看當(dāng)動應(yīng)力和殘余應(yīng)力方向一致，且迭加值大于 屈服應(yīng)力時，金屬產(chǎn)生塑性變形，當(dāng)動應(yīng)力去除后，殘余應(yīng)力峰值下降，結(jié)構(gòu)應(yīng) 力均化。另一方面，結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中部位，包括幾何形態(tài)變化較大的部位，以及缺 陷部位，當(dāng)外載引起的局部應(yīng)力大于屈服應(yīng)力時，金屬產(chǎn)生塑性變形，當(dāng)外載去 除后，該部位形成一個塑性變形強化保護(hù)區(qū)，從而提高了結(jié)構(gòu)的抗變形能力。（2） 材料組織上的非均勻性造成受載時的應(yīng)力不均勻性，即微觀的應(yīng)力集中，其應(yīng)力 集中系數(shù)往往為幾至十幾。當(dāng)外應(yīng)力大于10MPa時就可以出現(xiàn)微觀的屈服現(xiàn)象。 振動時效時正負(fù)方向的交變應(yīng)力可造成非封閉的包辛格效應(yīng)應(yīng)力應(yīng)變回線，這

6、種 非封閉應(yīng)變積累結(jié)果可使材料得到一定殘余變形量，導(dǎo)致低動應(yīng)力條件下的時效 效應(yīng)。（3）動應(yīng)力可以引起位錯的增殖和位錯的移動，由于大量位錯在晶界和雜 質(zhì)上的聚集而造成的位錯釘扎作用，使位錯的再運動和滑移的阻力增加。因此金 屬的屈服點上升，內(nèi)耗下降，馳豫剛度即抗變形能力增加。（4）動應(yīng)力加大了晶 格內(nèi)的動能，使原子振動更加劇烈，能量大的原子與周圍原子相互作用，糾正了 品格畸形和扭曲，其積累產(chǎn)生的微觀塑性變形也可以使峰值應(yīng)力降低一定幅度。振動時效去應(yīng)力效果與動應(yīng)力大小及作用時間有關(guān)。圖3是碳素結(jié)構(gòu)通過340 余次試驗獲得在不同動應(yīng)力下的表面應(yīng)變遷移曲線，動載是峰值為定值的單向脈 動拉伸應(yīng)力，N是低

7、應(yīng)力區(qū)振動釋放應(yīng)力。它反映了試樣在動載下塑性應(yīng)變積累 量，與殘余應(yīng)力的下降量相關(guān)，其表明當(dāng)動應(yīng)力大于10MPa就可以出現(xiàn)去應(yīng)力效 果，且動載的前期效果遠(yuǎn)優(yōu)于后期，如圖3中前100次加載已達(dá)到200次加載總 效果的90%。這表明在振動動應(yīng)力足夠大時無需太長的振動時間，本研究提出 200100000周振動次數(shù)作為實際加載次數(shù)，實際作業(yè)中可以（515）min作為工藝 時間。304L鋼導(dǎo)向筒的振動時效工藝方案是在碳素鋼成功的經(jīng)驗上建立的，為了保證 工件在振動時不產(chǎn)生變形，采用扭轉(zhuǎn)振動工藝，因為扭轉(zhuǎn)振動時，軸向的各個斷 面上動應(yīng)力分布均勻，可以有效地防止工藝對工件不直度的影響。共選擇了 2 個共振頻率振

8、動，各振5min，用動應(yīng)力儀和示波儀對6個應(yīng)力測點觀察，動載 峰峰值為2.918.9MPa之間。其中高應(yīng)力值的方向和焊縫縱向一致，從而獲得較 理想的效果。3.2熱時效工藝膛中 40015C保溫360min，隨后工件冷至低于120C出爐，工件裝爐時的爐 膛溫度不高于120C。熱時效和振動時效工藝在機理上的區(qū)別可在各自的去應(yīng)力曲線上體現(xiàn)出來，圖4 是碳素結(jié)構(gòu)鋼熱時效和振動時效工藝時間一屈服極限、殘余應(yīng)力曲線。4工藝實施結(jié)果與分析對兩種工藝的殘余應(yīng)力變化和尺寸精度變化進(jìn)行了測量，結(jié)果見表1、表2。由 于焊接順序不一樣造成焊后殘余應(yīng)力分布上有明顯區(qū)別，引起效果比較上的困難， 但從變化趨勢及最終測試數(shù)據(jù)仍可以獲得以下結(jié)果：5結(jié)論核電不銹鋼導(dǎo)向筒焊后除應(yīng)力可采用熱時效和振動時效兩種工藝，熱時效具有峰 值應(yīng)力下降幅度大，工藝變形小的優(yōu)點，工藝指標(biāo)完全達(dá)到要求可以推廣使用。 振動時效的工裝簡單，工藝快捷，有工藝變形小，應(yīng)力均化明顯的效果，工藝指 標(biāo)也可滿足技術(shù)要求，是一種值得進(jìn)一步開發(fā)，旨在局部替代熱時效的節(jié)能工藝。參考文獻(xiàn)田錫唐.焊接結(jié)構(gòu).北京：機械工業(yè)出版社，1981.8.