摘要：采用振動時效（VSR)和熱時效兩種方法對核電堆內構件304L不銹鋼方形筒體（控制棒導向筒)進行焊后去應力處理。通過對殘余應力和工藝變形測定，表明這兩種方法都可達到期望的技術要求。對振動時效的機理及動應力對去應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。
關鍵詞：振動時效（VSR)；殘余應力；焊接；不銹鋼；核電

1 前言

核電堆內構件方形筒體即控制棒導向筒（見圖1)，是核反應堆內尺寸精度要求最高的焊接構件。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，構成有24個導向孔系的高精度焊接構件。外包殼斷面為190mm×190mm，板厚6mm，工件全長2388mm。它用于反應堆控制棒上下運動時的導向，在事故出現時，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。因此其制造技術要求非常高，焊接過程及焊后去應力過程都必須嚴格控制變形。24個導向孔系在全長范圍的位置偏差不得大于0.8mm。針對焊后去應力的技術要求，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鋼焊接殘余應力的分布，熱時效工藝，振動時效工藝，兩種工藝前后的應力變化及精度變化，通過定量數據來確定這兩種工藝能否達到規定的技術要求。為今后規?；a提供重要的試驗依據。

2 304L不銹鋼的焊接殘余應力

304L是滿足核電堆內構件要求的優質超低碳不銹鋼，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力測定，測定的縱向殘余應力分布見圖2。各測點的數據由4次測量結果按統計方法獲得。從總體上看，其縱向應力除焊縫中心外304L鋼與一般碳素結構鋼的主應力分布相似，近縫區為拉應力，遠焊縫區為壓應力，板邊為低應力。但在焊縫中央呈低應力甚至壓應力，分布比較離散，與碳素結構鋼有明顯的區別。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果，由此導致低壓力和壓應力傾向。這種初始應力分布對振動后的應力重新分布有十分明顯的影響，由于振動引起的應力均化作用，焊縫中心應力應由壓應力或低應力趨向正應力（應力上升)，但不大于200MPa（實測峰值應力)。

3 振動時效工藝與熱時效工藝

3.1 振動時效工藝

振動時效是應用循環加載方法，通過動應力和殘余應力迭加，峰值應力區材料屈服，應力均化，結構應力峰值下降，材料強化等效應，使結構的彈性工作區域加大，以達到尺寸穩定性上升的效果。振動時效與熱時效在去應力機理上有明顯的區別，其特點是：（1)從宏觀上看當動應力和殘余應力方向一致，且迭加值大于屈服應力時，金屬產生塑性變形，當動應力去除后，殘余應力峰值下降，結構應力均化。另一方面，結構應力集中部位，包括幾何形態變化較大的部位，以及缺陷部位，當外載引起的局部應力大于屈服應力時，金屬產生塑性變形，當外載去除后，該部位形成一個塑性變形強化保護區，從而提高了結構的抗變形能力。（2)材料組織上的非均勻性造成受載時的應力不均勻性，即微觀的應力集中，其應力集中系數往往為幾至十幾。當外應力大于10MPa時就可以出現微觀的屈服現象。振動時效時正負方向的交變應力可造成非封閉的包辛格效應應力應變回線，這種非封閉應變積累結果可使材料得到一定殘余變形量，導致低動應力條件下的時效效應。（3)動應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，內耗下降，馳豫剛度即抗變形能力增加。（4)動應力加大了晶格內的動能，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，其積累產生的微觀塑性變形也可以使峰值應力降低一定幅度。

振動時效去應力效果與動應力大小及作用時間有關。圖3是碳素結構通過340余次試驗獲得在不同動應力下的表面應變遷移曲線，動載是峰值為定值的單向脈動拉伸應力，N是低應力區振動釋放應力。它反映了試樣在動載下塑性應變積累量，與殘余應力的下降量相關，其表明當動應力大于10MPa就可以出現去應力效果，且動載的前期效果遠優于后期，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周振動次數作為實際加載次數，實際作業中可以（5~15)min作為工藝時間。

304L鋼導向筒的振動時效工藝方案是在碳素鋼成功的經驗上建立的，為了保證工件在振動時不產生變形，采用扭轉振動工藝，因為扭轉振動時，軸向的各個斷面上動應力分布均勻，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，用動應力儀和示波儀對6個應力測點觀察，動載峰峰值為2.9~18.9MPa之間。其中高應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別可在各自的去應力曲線上體現出來，圖4是碳素結構鋼熱時效和振動時效工藝時間一屈服極限、殘余應力曲線。