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的介紹，并對兩種工藝進行了比較。
關(guān)鍵詞：振動時效（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到規(guī)定的技術(shù)要求。為今后規(guī)?；a(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，以達到尺寸穩(wěn)定性上升的效果。振動時效與熱時效在去應(yīng)力機理上有明顯的區(qū)別，其特點是：（1)從宏觀上看當動應(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，當外載去除后，該部位形成一個塑性變形強化保護區(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優(yōu)于后期，如圖3中前100次加載已達到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200~100000周振動次數(shù)作為實際加載次數(shù)，實際作業(yè)中可以（5~15)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2.9~18.9MPa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，工件裝爐時的爐膛溫度不高于120℃。
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。
