不锈钢焊接构件的振动时效与热时效
摘要：采用振动时效(VSR)和热时效两种方法对核电堆内构件304L不锈钢方形筒体(控制棒导向筒)进行焊后去应力处理。通过对残余应力和工艺变形测定，表明这两种方法都可达到期望的技术要求。对振动时效的机理及动应力对去应力效果的影响作了较详细的介绍，并对两种工艺进行了比较。
关键词：振动时效(VSR)；残余应力；焊接；不锈钢；核电
1 前言
核电堆内构件方形筒体即控制棒导向筒(见图1)，是核反应堆内尺寸精度要求最高的焊接构件。母材为304L超低碳不锈钢。它由9块多孔法兰板、8根双孔管、8根C形管及2个半方管外包壳，通过真空电子束焊及手工氩弧焊组成一体，构成有24个导向孔系的高精度焊接构件。外包壳断面为190mm×190mm，板厚6mm，工件全长2388mm。它用于反应堆控制棒上下运动时的导向，在事故出现时，它必须保证控制棒在重力作用下迅速插入堆芯，以紧急停堆。因此其制造技术要求非常高，焊接过程及焊后去应力过程都必须严格控制变形。24个导向孔系在全长范围的位置偏差不得大于0.8mm。针对焊后去应力的技术要求，本研究选择热时效及振动时效(VSR-Vibrate Stress Relief)两种方法进行试验。包括：304L钢焊接残余应力的分布，热时效工艺，振动时效工艺，两种工艺前后的应力变化及精度变化，通过定量数据来确定这两种工艺能否达到规定的技术要求。为今后规模化生产提供重要的试验依据。
2 304L不锈钢的焊接残余应力
304L是满足核电堆内构件要求的优质超低碳不锈钢，其化学成分w(%)为：1.5C，0.033Mn，9.08Ni， 18.54Cr，0.003Cu，0.023S，0.056P，0.002N。项目组对304L钢等离子脉冲对接焊接试板用盲孔法进行了残余应力测定，测定的纵向残余应力分布见图2。各测点的数据由4次测量结果按统计方法获得。从总体上看，其纵向应力除焊缝中心外304L钢与一般碳素结构钢的主应力分布相似，近缝区为拉应力，远焊缝区为压应力，板边为低应力。但在焊缝中央呈低应力甚至压应力，分布比较离散，与碳素结构钢有明显的区别。304L钢合金量高，焊缝在冷却过程中由于低温相变后晶粒膨胀，在非填充的等离子对接焊后，焊缝中心在板平面上凸起，反映了晶粒膨胀的结果，由此导致低压力和压应力倾向。这种初始应力分布对振动后的应力重新分布有十分明显的影响，由于振动引起的应力均化作用，焊缝中心应力应由压应力或低应力趋向正应力(应力上升)，但不大于200MPa(实测峰值应力)。
3 振动时效工艺与热时效工艺
3.1 振动时效工艺
振动时效是应用循环加载方法，通过动应力和残余应力迭加，峰值应力区材料屈服，应力均化，结构应力峰值下降，材料强化等效应，使结构的弹性工作区域加大，以达到尺寸稳定性上升的效果。振动时效与热时效在去应力机理上有明显的区别，其特点是：(1)从宏观上看当动应力和残余应力方向一致，且迭加值大于屈服应力时，金属产生塑性变形，当动应力去除后，残余应力峰值下降，结构应力均化。另一方面，结构应力集中部位，包括几何形态变化较大的部位，以及缺陷部位，当外载引起的局部应力大于屈服应力时，金属产生塑性变形，当外载去除后，该部位形成一个塑性变形强化保护区，从而提高了结构的抗变形能力。(2)材料组织上的非均匀性造成受载时的应力不均匀性，即微观的应力集中，其应力集中系数往往为几至十几。当外应力大于10MPa时就可以出现微观的屈服现象。振动时效时正负方向的交变应力可造成非封闭的包辛格效应应力应变回线，这种非封闭应变积累结果可使材料得到一定残余变形量，导致低动应力条件下的时效效应。(3)动应力可以引起位错的增殖和位错的移动，由于大量位错在晶界和杂质上的聚集而造成的位错钉扎作用，使位错的再运动和滑移的阻力增加。因此金属的屈服点上升，内耗下降，驰豫刚度即抗变形能力增加。(4)动应力加大了晶格内的动能，使原子振动更加剧烈，能量大的原子与周围原子相互作用，纠正了晶格畸形和扭曲，其积累产生的微观塑性变形也可以使峰值应力降低一定幅度。
振动时效去应力效果与动应力大小及作用时间有关。图3是碳素结构通过340余次试验获得在不同动应力下的表面应变迁移曲线，动载是峰值为定值的单向脉动拉伸应力，N是低应力区振动释放应力。它反映了试样在动载下塑性应变积累量，与残余应力的下降量相关，其表明当动应力大于10MPa就可以出现去应力效果，且动载的前期效果远优于后期，如图3中前100次加载已达到200次加载总效果的90%。这表明在振动动应力足够大时无需太长的振动时间，本研究提出200~100000周振动次数作为实际加载次数，实际作业中可以(5~15)min作为工艺时间。
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304L钢导向筒的振动时效工艺方案是在碳素钢成功的经验上建立的，为了保证工件在振动时不产生变形，采用扭转振动工艺，因为扭转振动时，轴向的各个断面上动应力分布均匀，可以有效地防止工艺对工件不直度的影响。共选择了2个共振频率振动，各振5min，用动应力仪和示波仪对6个应力测点观察，动载峰峰值为2.9~18.9MPa之间。其中高应力值的方向和焊缝纵向一致，从而获得较理想的效果。
3.2 热时效工艺
膛中。400±15℃保温360min，随后工件冷至低于120℃出炉，工件装炉时的炉膛温度不高于120℃。
热时效和振动时效工艺在机理上的区别可在各自的去应力曲线上体现出来，图4是碳素结构钢热时效和振动时效工艺时间一屈服极限、残余应力曲线。
4 工艺实施结果与分析
对两种工艺的残余应力变化和尺寸精度变化进行了测量，结果见表1、表2。由于焊接顺序不一样造成焊后残余应力分布上有明显区别，引起效果比较上的困难，但从变化趋势及最终测试数据仍可以获得以下结果：
5 结论
核电不锈钢导向筒焊后除应力可采用热时效和振动时效两种工艺，热时效具有峰值应力下降幅度大，工艺变形小的优点，工艺指标完全达到要求可以推广使用。振动时效的工装简单，工艺快捷，有工艺变形小，应力均化明显的效果，工艺指标也可满足技术要求，是一种值得进一步开发，旨在局部替代热时效的节能工艺。
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