摘要：采用振動(dòng)時(shí)效（VSR)和熱時(shí)效兩種方法對(duì)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(duì)殘余應(yīng)力和工藝變形測(cè)定，表明這兩種方法都可達(dá)到期望的技術(shù)要求。對(duì)振動(dòng)時(shí)效的機(jī)理及動(dòng)應(yīng)力對(duì)去應(yīng)力效果的影響作了較詳細(xì)的介紹，并對(duì)兩種工藝進(jìn)行了比較。
關(guān)鍵詞：振動(dòng)時(shí)效（VSR)；殘余應(yīng)力；焊接；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(gè)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(gè)導(dǎo)向孔系的高精度焊接構(gòu)件。外包殼斷面為190mm×190mm，板厚6mm，工件全長(zhǎng)2388mm。它用于反應(yīng)堆控制棒上下運(yùn)動(dòng)時(shí)的導(dǎo)向，在事故出現(xiàn)時(shí)，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(gè)導(dǎo)向孔系在全長(zhǎng)范圍的位置偏差不得大于0.8mm。針對(duì)焊后去應(yīng)力的技術(shù)要求，本研究選擇熱時(shí)效及振動(dòng)時(shí)效（VSR-Vibrate Stress Relief)兩種方法進(jìn)行試驗(yàn)。包括：304L鋼焊接殘余應(yīng)力的分布，熱時(shí)效工藝，振動(dòng)時(shí)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)要求。為今后規(guī)模化生產(chǎn)提供重要的試驗(yàn)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(xiàng)目組對(duì)304L鋼等離子脈沖對(duì)接焊接試板用盲孔法進(jìn)行了殘余應(yīng)力測(cè)定，測(cè)定的縱向殘余應(yīng)力分布見圖2。各測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)由4次測(cè)量結(jié)果按統(tǒng)計(jì)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(duì)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(duì)振動(dòng)后的應(yīng)力重新分布有十分明顯的影響，由于振動(dòng)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(shí)測(cè)峰值應(yīng)力)。
3 振動(dòng)時(shí)效工藝與熱時(shí)效工藝
3.1 振動(dòng)時(shí)效工藝
振動(dòng)時(shí)效是應(yīng)用循環(huán)加載方法，通過動(dòng)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(qiáng)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(dòng)時(shí)效與熱時(shí)效在去應(yīng)力機(jī)理上有明顯的區(qū)別，其特點(diǎn)是：（1)從宏觀上看當(dāng)動(dòng)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(shí)，金屬產(chǎn)生塑性變形，當(dāng)動(dòng)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(shí)，金屬產(chǎn)生塑性變形，當(dāng)外載去除后，該部位形成一個(gè)塑性變形強(qiáng)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(shí)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(shí)就可以出現(xiàn)微觀的屈服現(xiàn)象。振動(dòng)時(shí)效時(shí)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(dòng)應(yīng)力條件下的時(shí)效效應(yīng)。（3)動(dòng)應(yīng)力可以引起位錯(cuò)的增殖和位錯(cuò)的移動(dòng)，由于大量位錯(cuò)在晶界和雜質(zhì)上的聚集而造成的位錯(cuò)釘扎作用，使位錯(cuò)的再運(yùn)動(dòng)和滑移的阻力增加。因此金屬的屈服點(diǎn)上升，內(nèi)耗下降，馳豫剛度即抗變形能力增加。（4)動(dòng)應(yīng)力加大了晶格內(nèi)的動(dòng)能，使原子振動(dòng)更加劇烈，能量大的原子與周圍原子相互作用，糾正了晶格畸形和扭曲，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(dòng)時(shí)效去應(yīng)力效果與動(dòng)應(yīng)力大小及作用時(shí)間有關(guān)。圖3是碳素結(jié)構(gòu)通過340余次試驗(yàn)獲得在不同動(dòng)應(yīng)力下的表面應(yīng)變遷移曲線，動(dòng)載是峰值為定值的單向脈動(dòng)拉伸應(yīng)力，N是
低應(yīng)力區(qū)振動(dòng)釋放應(yīng)力。它反映了試樣在動(dòng)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(dòng)應(yīng)力大于10MPa就可以出現(xiàn)去應(yīng)力效果，且動(dòng)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(dòng)動(dòng)應(yīng)力足夠大時(shí)無需太長(zhǎng)的振動(dòng)時(shí)間，本研究提出200~100000周振動(dòng)次數(shù)作為實(shí)際加載次數(shù)，實(shí)際作業(yè)中可以（5~15)min作為工藝時(shí)間。
304L鋼導(dǎo)向筒的振動(dòng)時(shí)效工藝方案是在碳素鋼成功的經(jīng)驗(yàn)上建立的，為了保證工件在振動(dòng)時(shí)不產(chǎn)生變形，采用扭轉(zhuǎn)振動(dòng)工藝，因?yàn)榕まD(zhuǎn)振動(dòng)時(shí)，軸向的各個(gè)斷面上動(dòng)應(yīng)力分布均勻，可以有效地防止工藝對(duì)工件不直度的影響。共選擇了2個(gè)共振頻率振動(dòng)，各振5min，用動(dòng)應(yīng)力儀和示波儀對(duì)6個(gè)應(yīng)力測(cè)點(diǎn)觀察，動(dòng)載峰峰值為2.9~18.9MPa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(shí)效工藝
膛中。400±15℃保溫360min，隨后工件冷至低于120℃出爐，工件裝爐時(shí)的爐膛溫度不高于120℃。
熱時(shí)效和振動(dòng)時(shí)效工藝在機(jī)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(shí)效和振動(dòng)時(shí)效工藝時(shí)間一屈服極限、殘余應(yīng)力曲線。
