核電設(shè)備的焊接殘余應(yīng)力研究現(xiàn)狀及調(diào)控措施

（中國核動力研究設(shè)計院核反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計重點實驗室，四川成都610041）

0 前言

核電反應(yīng)堆及一回路系統(tǒng)中反應(yīng)堆壓力容器、穩(wěn)壓器、蒸汽發(fā)生器、反應(yīng)堆冷卻劑泵、堆內(nèi)構(gòu)件、控制棒驅(qū)動機構(gòu)、主管道、堆芯補水箱等主設(shè)備，其主要結(jié)構(gòu)材料為16MND5低合金鋼（508-III鋼），不銹鋼、Inconel 690鎳基合金等。核電主設(shè)備的制造、現(xiàn)場安裝等均采用大量焊接成形方式，其焊接結(jié)構(gòu)形式包括低合金鋼主承壓對接焊縫、低合金鋼上不銹鋼堆焊、接管安全端異種金屬焊縫、J型坡口異種金屬密封焊縫等。低合金鋼主承壓對接焊縫多采用機械埋弧焊，低合金鋼上不銹鋼大面積堆焊多采用帶極電渣堆焊、帶極埋弧堆焊，接管安全端異種金屬焊縫多采用機械TIG焊，J型坡口異種金屬密封焊縫多采用手工焊條電弧焊及手工TIG焊，主管道現(xiàn)場焊接多采用自動TIG焊等焊接工藝。焊縫質(zhì)量是影響核電廠設(shè)備質(zhì)量及核電廠安全的關(guān)鍵因素。焊接區(qū)局部不均勻快速加熱和冷卻會造成焊縫及其鄰近區(qū)域產(chǎn)生不協(xié)調(diào)應(yīng)變而形成構(gòu)件內(nèi)部自相平衡的內(nèi)應(yīng)力（無外力作用），即焊接殘余應(yīng)力。焊接殘余應(yīng)力是焊接的固有產(chǎn)物，直接影響焊接結(jié)構(gòu)的制造質(zhì)量和使用性能[1-2]，嚴(yán)重時會導(dǎo)致構(gòu)件的失效甚至報廢。

由于焊接殘余應(yīng)力的不可見性和危害性，研究焊接應(yīng)力的分布、作用與影響，掌握調(diào)控焊接殘余應(yīng)力的方法和措施，對于準(zhǔn)確評價焊接制造質(zhì)量、提高焊接結(jié)構(gòu)的服役安全性和壽命具有非常重要的意義。焊接殘余應(yīng)力的測試、分析和調(diào)控是當(dāng)今焊接研究的熱點和難點。本文以核電設(shè)備電弧熔化焊接形成的殘余應(yīng)力為主要對象，簡要介紹焊接殘余應(yīng)力的危害性及影響因素、分布特征和調(diào)控措施。

1 焊接殘余應(yīng)力的危害性和影響因素

核電設(shè)備中，焊接殘余應(yīng)力的不利影響可分為以下幾個方面[1-3]：

（1）降低構(gòu)件靜載承受能力。焊縫區(qū)的縱向拉伸焊接殘余應(yīng)力的峰值較高，甚至接近材料的屈服強度，當(dāng)外載工作應(yīng)力和高拉伸殘余應(yīng)力方向一致時，兩者疊加后會造成局部塑形變形，導(dǎo)致構(gòu)件有效承載截面減少，降低結(jié)構(gòu)的承載能力。

（2）引起構(gòu)件低應(yīng)力脆性斷裂。構(gòu)件溫度較低或結(jié)構(gòu)鋼韌性較低時，或在疲勞載荷、腐蝕環(huán)境條件下，以及焊接缺陷（如裂紋、未熔透、未熔合等）的存在，焊接殘余應(yīng)力會增加焊接結(jié)構(gòu)產(chǎn)生低應(yīng)力脆性斷裂的可能性[2，4]。盡管焊接殘余應(yīng)力分布于焊接局部區(qū)域，但對焊接結(jié)構(gòu)的斷裂影響卻是全局的。

（3）降低構(gòu)件疲勞強度。拉伸焊接殘余應(yīng)力阻礙裂紋閉合，提高疲勞載荷的應(yīng)力平均值，改變應(yīng)力循環(huán)特征，從而加劇應(yīng)力循環(huán)損傷，降低疲勞強度[1，3，5]。

（4）降低結(jié)構(gòu)的剛度。當(dāng)外部工作應(yīng)力為拉應(yīng)力時，與焊縫中的拉應(yīng)力相疊加，會發(fā)生局部屈服，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的剛度降低，構(gòu)件卸載后不能恢復(fù)到初始尺寸[1]。

（5）引起應(yīng)力腐蝕開裂。焊接構(gòu)件在腐蝕介質(zhì)環(huán)境中工作，焊接殘余拉應(yīng)力作用會引起應(yīng)力腐蝕開裂，這在不銹鋼和鎳基材料[6－7]上尤其明顯。

（6）引起氫脆及蠕變開裂。焊接殘余應(yīng)力是導(dǎo)致氫在焊接接頭聚集的主要原因之一[8]，容易造成接頭氫脆斷裂[1－2]。焊接殘余應(yīng)力也是影響焊接結(jié)構(gòu)蠕變性能的重要因素[9]，會引起蠕變空洞開裂[2]。

（7）影響構(gòu)件尺寸精度和尺寸穩(wěn)定性。構(gòu)件中的焊接殘余應(yīng)力經(jīng)過加工或服役過程會部分釋放，釋放掉的殘余應(yīng)力使構(gòu)件中原有殘余應(yīng)力場失去平衡而重新分布，引起構(gòu)件變形，影響構(gòu)件的尺寸精度和尺寸穩(wěn)定性。

影響焊接殘余應(yīng)力的主要因素包括[10－11]：（1）焊接過程（熱輸入、焊道數(shù)目、焊接順序、打磨和修補等）；（2）焊縫（坡口）形狀（包括結(jié)構(gòu)拘束度）；（3）局部結(jié)構(gòu)特征（焊趾、焊根和蓋面焊道）；（4）焊縫和母材材料性能；（5）組織變化和相變塑性；其他還有焊接前后熱處理、焊接前后機加工等因素。

由此可見，焊接殘余應(yīng)力危害大，其分布和大小受眾多因素影響。需深入研究其分布規(guī)律和影響因素，評價其幅值及其分布，才能更準(zhǔn)確地評價焊接結(jié)構(gòu)的可靠性和服役壽命；在此基礎(chǔ)上采取一定的措施調(diào)控有害的焊接殘余應(yīng)力，才能有效保證焊接結(jié)構(gòu)的服役安全性。

2 大厚度板及管對接焊殘余應(yīng)力分布特征

按照是否損壞構(gòu)件自身結(jié)構(gòu)，焊接殘余應(yīng)力測試方法可分為兩類：破壞法和非破壞法。破壞法也可稱為機械應(yīng)變釋放法，主要包括小孔法、裂紋柔度法、輪廓法等。非破壞性法也稱為物理方法，主要包括X射線衍射法、中子衍射法、超聲波法等。對于核電設(shè)備，多采用小孔法、X射線衍射法測試構(gòu)件表面殘余應(yīng)力，而對于構(gòu)件內(nèi)部殘余應(yīng)力的測試手段和關(guān)注度相對較少。大厚度管或板焊接結(jié)構(gòu)是核電設(shè)備常見焊接結(jié)構(gòu)，由于厚度上殘余應(yīng)力測量難度很大，大都需要進行破壞性試驗，費用昂貴，因此大厚度焊接件內(nèi)部應(yīng)力研究成果非常有價值。在此主要介紹大厚度板對接和管對接自由態(tài)的內(nèi)部應(yīng)力分布特征。

2.1 大厚度板對接焊內(nèi)部殘余應(yīng)力

焊接殘余應(yīng)力定義為橫向、縱向和z向，縱向應(yīng)力σx為沿焊縫方向的應(yīng)力；橫向應(yīng)力σy為垂直焊縫方向應(yīng)力；z向應(yīng)力σz為厚度方向應(yīng)力。相對縱向和橫向應(yīng)力，z向焊接殘余應(yīng)力的幅值較小，工程上一般不予考慮。厚板結(jié)構(gòu)在三個方向?qū)缚p的拘束不同，因而三個方向應(yīng)力沿厚度分布不同?？v向收縮受到縱向的強拘束作用，因而縱向應(yīng)力在整個厚度上為較高的拉應(yīng)力；最終焊道的橫向收縮受到前一焊道的拘束，因而上表面橫向應(yīng)力為拉伸應(yīng)力，中部區(qū)域產(chǎn)生壓縮橫向應(yīng)力，下表面產(chǎn)生拉伸應(yīng)力來與上表面的橫向拉伸應(yīng)力平衡（橫向應(yīng)力在厚度上平衡）。由于第一道和最后一道焊接，熔敷金屬在厚度上自由收縮，因而上下表面的z向殘余應(yīng)力為0，中部區(qū)域的壓縮橫向應(yīng)力導(dǎo)致z向應(yīng)力為壓縮應(yīng)力[11]。

Shim等人[12]分析了50.8 mm厚試板對接焊的殘余應(yīng)力沿厚度分布特征。結(jié)果表明：焊縫中心橫向殘余應(yīng)力沿厚度呈現(xiàn)拉應(yīng)力-壓應(yīng)力-拉應(yīng)力的分布；縱向殘余應(yīng)力在整個厚度上都為拉應(yīng)力，且中部應(yīng)力小于上下表層應(yīng)力，峰值縱向拉伸應(yīng)力出現(xiàn)在距表面5 mm處。汪建華等人[13]的研究表明：板厚50 mm的窄間隙多層對接焊接接頭的焊縫中心處整個厚度上的縱向殘余應(yīng)力為拉應(yīng)力，最大縱向拉伸應(yīng)力出現(xiàn)在距下表面一定距離處，峰值接近材料的室溫屈服強度；橫向應(yīng)力從上表面到下表面基本上為拉應(yīng)力-壓應(yīng)力-拉應(yīng)力的分布趨勢。Smith等人[14]測量了108 mm厚鐵素體鋼板對接焊的殘余應(yīng)力，結(jié)果表明：距焊縫中心20 mm處（熔合區(qū)）整個厚度上的縱向應(yīng)力為較大拉應(yīng)力，上下表層的橫向應(yīng)力為拉應(yīng)力，而中部位置的橫向應(yīng)力為壓應(yīng)力，與測試位置厚度上的橫向應(yīng)力相互平衡。Stefanescu等人[15]研究了50 mm厚S690Q鋼板對接焊接殘余應(yīng)力沿厚度分布特征，結(jié)果表明：焊縫中心處的縱向應(yīng)力為拉伸應(yīng)力，其峰值縱向拉應(yīng)力分別出現(xiàn)在距近上表面10 mm和距下表面5 mm位置，達到500 MPa。橫向殘余應(yīng)力在焊縫中心處從上表面到下表面分布趨勢為拉應(yīng)力-壓應(yīng)力-拉應(yīng)力。Liu等人[16]采用輪廓法測試了55 mm厚對接試板的內(nèi)部應(yīng)力分布全貌，結(jié)果表明：焊縫區(qū)域的縱向應(yīng)力為較大拉伸應(yīng)力，峰值應(yīng)力出現(xiàn)在距表面5～8 mm處（接近材料屈服強度），遠離焊縫位置出現(xiàn)較小壓縮應(yīng)力與焊縫區(qū)拉伸應(yīng)力平衡；焊縫區(qū)的橫向應(yīng)力從上表面到下表面整體趨勢為拉伸-壓縮-拉伸分布，拉伸橫向應(yīng)力峰值也出現(xiàn)在距表面5～8 mm處。

以上研究表明：厚板電弧焊對接接頭的縱向殘余應(yīng)力在厚度上基本上為拉伸應(yīng)力，焊縫中心處的縱向拉伸殘余應(yīng)力峰值出現(xiàn)在距表面一定深度處（約5～8 mm），峰值應(yīng)力接近材料屈服強度；橫向殘余應(yīng)力在近表面區(qū)域為拉伸應(yīng)力，而內(nèi)部為壓縮應(yīng)力；焊縫區(qū)橫向應(yīng)力幅值小于縱向應(yīng)力。

2.2 管道環(huán)焊縫內(nèi)部應(yīng)力分布特征

焊接管道是核電結(jié)構(gòu)中最常見的焊接結(jié)構(gòu)。Dong[17]比較了大量碳鋼和不銹鋼環(huán)焊縫接頭的殘余應(yīng)力測試和計算結(jié)果，認為環(huán)焊縫沿厚度軸向應(yīng)力分布特征可以分為兩類：彎曲型和自平衡型分布。彎曲型軸向應(yīng)力分布特征是：焊縫區(qū)域外壁的軸向應(yīng)力為壓縮應(yīng)力而內(nèi)壁區(qū)域為拉伸應(yīng)力，離焊縫中心一定距離處的沿厚度軸向應(yīng)力與焊縫中心的彎曲應(yīng)力形式反向。自平衡型軸向應(yīng)力分布特征是：焊縫區(qū)域外壁到內(nèi)壁的軸向應(yīng)力分布為拉伸-壓縮-拉伸。軸向應(yīng)力為彎曲類型時，焊縫區(qū)域沿厚度環(huán)向應(yīng)力趨于均勻分布，且整個焊縫區(qū)域都為拉應(yīng)力，在遠離焊縫區(qū)域出現(xiàn)壓縮環(huán)向應(yīng)力。沿厚度軸向應(yīng)力為自平衡分布時，其焊縫區(qū)域的環(huán)向應(yīng)力在內(nèi)部存在一局部壓縮應(yīng)力分布區(qū)域。Dong[17]進一步分析認為，大多數(shù)環(huán)焊縫沿厚度軸向應(yīng)力分布是彎曲型和自平衡型兩種類型的混合。隨壁厚的增加（熱輸入和焊道尺寸相同），沿厚度軸向應(yīng)力從純粹的彎曲類型逆時針旋轉(zhuǎn)，逐漸向自平衡類型應(yīng)力發(fā)展，相應(yīng)的沿厚度環(huán)向應(yīng)力也呈逆時針旋轉(zhuǎn)趨勢。

Bouchard 等[10]發(fā)現(xiàn)：管徑與厚度的比值（r/t）較小（r/t=25，t=15.9 mm），雙V坡口和相對較小的熱輸入（2.2 kJ/mm）焊接不銹鋼管道環(huán)焊縫，其沿厚度軸向應(yīng)力也呈現(xiàn)自平衡分布。Bouchard等人[10]研究認為，焊縫區(qū)域沿厚度分布殘余應(yīng)力可分解為三種宏觀應(yīng)力分量：膜應(yīng)力、沿厚度彎曲應(yīng)力和自平衡應(yīng)力。自平衡應(yīng)力又可以進一步分解為特征長度約等于t的基礎(chǔ)應(yīng)力以及特征長度遠小于t的高階應(yīng)力。膜應(yīng)力和彎曲應(yīng)力是焊縫收縮（通常是幾個焊道的綜合結(jié)果）受周圍材料的拘束引起的?；A(chǔ)自平衡應(yīng)力分布源于焊道熱力循環(huán)所受的局部拘束。高階自平衡應(yīng)力與焊道、焊道引弧/熄弧位置應(yīng)力集中、結(jié)構(gòu)幾何奇異性（焊根、焊趾和蓋面焊）以及相變相關(guān)[10]。

3 殘余應(yīng)力調(diào)控措施

3.1 表面處理

（1）噴丸處理（Shot peening，SP）。細小彈丸高速撞擊工件的噴丸處理能引起噴丸區(qū)的硬化及表層壓縮殘余應(yīng)力。該方法可用于預(yù)防核電結(jié)構(gòu)奧氏體不銹鋼的晶間應(yīng)力腐蝕開裂（IGSCC）[18]。噴丸方法可以破碎表面晶粒和晶界，使得碳在晶粒中沉淀均勻，以減小腐蝕敏感性。但噴丸過度會造成材料嚴(yán)重塑性變形，降低塑性。

（2）激光噴丸（Laser Shock Peening，LSP）。該方法的基本過程為：激光束透過水層，作用在工件上的隔離層上產(chǎn)生快速膨脹的等離子體，等離子體被限制在工件表面和透明覆蓋物（水）之間，引起高壓沖擊波（達到1 000 MPa）沖擊材料表面，產(chǎn)生局部塑性變形和壓縮應(yīng)力[19]。美國和法國的核電RPV所用的Alloy 600合金焊接接頭已經(jīng)采用激光噴丸處理[20]。

（3）磨粒水射流噴丸（Abrasive Water-Jet Peening，AWJP）。該方法將高壓水和磨粒的混合物高速沖向工件表面，去除表面材料并在表層產(chǎn)生壓縮應(yīng)力[19]。AWJP已經(jīng)應(yīng)用在反應(yīng)堆容器封頭的控制桿驅(qū)動機構(gòu)（CRDM）和堆芯構(gòu)件測量儀表（ICI）管座上[20]。

（4）空泡噴丸（Cavitation Peening，CP）。該方法使用高壓水射流泵產(chǎn)生高速水流，在材料表面形成密集的氣泡，氣泡破裂對材料產(chǎn)生沖擊波，由此材料表層產(chǎn)生塑性變形和壓縮應(yīng)力[19]。該工藝比激光噴丸便宜且效率高。CP方法已經(jīng)在日本應(yīng)用于沸水堆的反應(yīng)堆內(nèi)部構(gòu)件以防止應(yīng)力腐蝕開裂[20]。

（5）超聲沖擊（Ultrasonic Impact Treatment，UIT）。該方法將超聲頻振動（20～30 KHz）轉(zhuǎn)換為機械振動來處理構(gòu)件表面，在表面產(chǎn)生塑性變形和壓縮殘余應(yīng)力，深度可達 1.5～2 mm[21－22]，對原始應(yīng)力的影響深度可達 15 mm[23－24]。

（6）焊縫碾壓。采用高壓滾輪碾壓焊縫兩側(cè)或者整個焊縫，使焊縫產(chǎn)生劇烈塑性變形，能在焊縫中產(chǎn)生壓縮應(yīng)力，且有利于減少焊接變形[25]。焊縫碾壓可以在焊接過程中（隨焊碾壓）或焊后（焊后碾壓）實施。隨焊碾壓和一定頻率的沖擊力結(jié)合成為沖擊碾壓方法，能控制應(yīng)力變形和防止焊接熱裂紋[26]。

此外，焊縫錘擊方法[27－28]也可在焊縫表面形成壓縮應(yīng)力，改變拉伸焊接應(yīng)力狀態(tài)。

3.2 應(yīng)力釋放處理及加載外力

（1）焊后熱處理（Post-weldheat-treatment，PWHT）。該方法是最常用的改善焊縫區(qū)域力學(xué)性能及消除殘余應(yīng)力的方法，能降低焊接造成的拉伸和壓縮應(yīng)力幅值，使應(yīng)力處于較小幅值狀態(tài)[29]。PWHT對焊接殘余應(yīng)力消除的效果受初始應(yīng)力狀態(tài)、焊縫形狀/拘束度、材料的蠕變行為和PWHT工藝影響。焊后熱處理包括整體熱處理和局部熱處理兩種。

（2）施加機械外力。Freedette等人[30]對PWR主冷卻管道系統(tǒng)的異質(zhì)金屬接頭的焊縫一側(cè)整個圓周施加徑向載荷，使管產(chǎn)生壓縮變形，焊接結(jié)束后焊縫鄰近區(qū)域內(nèi)壁形成壓縮應(yīng)力。

此外，對焊接構(gòu)件進行振動時效處理[31]也可以將焊接殘余應(yīng)力降至較小幅值。

對于核電主設(shè)備，根據(jù)其結(jié)構(gòu)形式和使用經(jīng)驗，當(dāng)前最常用且有效的調(diào)控措施是焊后熱處理法。因此，針對不同結(jié)構(gòu)形式、不同材料的焊接結(jié)構(gòu)，選擇合適的熱處理工藝參數(shù)（熱處理時機、升降溫速率、保溫時間等）是調(diào)控焊接殘余應(yīng)力的關(guān)鍵。關(guān)于焊后熱處理工藝，法國RCC-M、美國ASME、我國NB等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范均有要求，應(yīng)根據(jù)設(shè)備的結(jié)構(gòu)形式、材料等選取相應(yīng)的熱處理工藝。對于大型構(gòu)件復(fù)雜構(gòu)件而言，整體熱處理、振動時效和機械外力方法需要更大的加熱設(shè)備、振動設(shè)備和外力加載設(shè)備，處理周期長；局部加熱、各種噴丸法、焊縫碾壓等方法的現(xiàn)場施工和露天作業(yè)適應(yīng)性差；錘擊方法存在勞動強度高、效率低、效果不明顯等問題。超聲沖擊處理所產(chǎn)生的壓應(yīng)力深度，遠大于高壓水射流噴丸和激光噴丸技術(shù)造成的壓應(yīng)力深度（100～200 μm）[19]，該方法兼顧了TIG熔修（改善焊趾形貌）和噴丸（產(chǎn)生壓縮應(yīng)力、局部塑性變形和晶粒細化）的特點[24]。此外，超聲沖擊處理具有質(zhì)量輕、操作靈活、表面應(yīng)力調(diào)控效果顯著的優(yōu)點，與其他表面處理方法相比，其現(xiàn)場施工的靈活性及經(jīng)濟性具有明顯優(yōu)勢。但超聲沖擊處理后的表面出現(xiàn)密集的麻坑，需要進行后續(xù)處理。

3.3 其他應(yīng)力調(diào)控方法

（1）窄間隙小能量焊接方法。窄間隙小能量焊接能減少坡口寬度和熔敷金屬量，管道焊接時可使管內(nèi)壁產(chǎn)生壓縮或者非常小的拉伸殘余應(yīng)力，減少焊縫收縮量和變形量，從而提高材料抵抗高溫氧化水環(huán)境下的應(yīng)力腐蝕開裂能力[32]。但窄間隙技術(shù)容易產(chǎn)生側(cè)壁熔合不足等問題。

（2）管道內(nèi)部施加熱沉。該方法是焊接時在管內(nèi)部通氣或者通水，降低管內(nèi)溫度，產(chǎn)生沿厚度的溫度梯度，從而導(dǎo)致熱應(yīng)力引起焊縫內(nèi)部的局部塑形變形，最終使焊縫內(nèi)表面和熱影響區(qū)形成壓縮殘余應(yīng)力或者較小的拉應(yīng)力[32]。

（3）熱拉伸技術(shù)。熱拉伸技術(shù)是焊接時在焊炬后面或者兩側(cè)放置附加熱源，以改變焊接過程溫度分布最終實現(xiàn)焊接應(yīng)力變形調(diào)控的方法。Lin等人[33]采用在焊炬兩側(cè)放置兩并行熱源的方法來調(diào)控304不銹鋼殘余應(yīng)力，其焊后殘余應(yīng)力較傳統(tǒng)焊接方法可縮減21%～32%。

（4）焊縫堆焊（Weld Overlays，WOLs）。因為焊后熱處理不能完全消除異質(zhì)金屬接頭的不協(xié)調(diào)熱應(yīng)力，焊縫堆焊方式可使環(huán)焊縫內(nèi)壁出現(xiàn)壓縮應(yīng)力，防止異質(zhì)金屬焊接接頭的應(yīng)力腐蝕開裂[34]。

（5）相變方法。焊接冷卻過程中鐵素體焊縫和母材的熱影響區(qū)會發(fā)生相變，如焊縫金屬剛開始凝固時形成奧氏體，冷卻到約800℃以下時轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體、貝氏體或鐵素體。這些相變過程伴隨著體積膨脹或隨晶粒長大造成微觀塑性變形，從而導(dǎo)致應(yīng)力縮減，甚至產(chǎn)生壓縮應(yīng)力[35－36]。

4 結(jié)論

目前出現(xiàn)了多種焊接殘余應(yīng)力的調(diào)控方法，包括引入表面壓縮應(yīng)力的表面處理法、整體應(yīng)力縮減的應(yīng)力釋放法以及焊接工藝、材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計等措施，通過分析每種方法有各自的優(yōu)勢和不足，提出將應(yīng)力調(diào)控方法的特點和焊接結(jié)構(gòu)的特點相結(jié)合，并且考慮應(yīng)力調(diào)控實施的經(jīng)濟性和操作的便利性，為核電設(shè)備焊接結(jié)構(gòu)的設(shè)計和應(yīng)力調(diào)控提供參考。