STE460鋼厚焊縫殘余應(yīng)力的中子衍射研究

劉榮燈，陳東風(fēng)，劉蘊(yùn)韜，孫 凱，李眉娟，LI X， HOFMANN M,*，李天富，王子軍，余周香

(1.中國原子能科學(xué)研究院，北京 102413；2.慕尼黑工業(yè)大學(xué)，德國 慕尼黑 85747)

電站的性能和安全在很大程度上取決于其部件中焊接接頭的完整性。很多基礎(chǔ)設(shè)施乃至核心部件通過焊接相互連接，在焊接過程中，工程部件的局部快速加熱和冷卻產(chǎn)生巨大的殘余應(yīng)力和不同于母體材料的微觀結(jié)構(gòu)。焊接件內(nèi)殘余應(yīng)力是非常重要的安全隱患，因?yàn)樗芘c外部負(fù)載疊加，增加斷裂驅(qū)動(dòng)力，甚至促使材料失效。因此，焊接件內(nèi)部的殘余應(yīng)力是影響其使用安全和使用壽命的關(guān)鍵因素[1-4]。特別是在包括熔核區(qū)(WN)和熱力影響區(qū)(TMAZ)的焊接區(qū)(WZ)，由于焊接和冷卻過程中溫度梯度太大，殘余應(yīng)力甚至超過材料的屈服強(qiáng)度。熔核區(qū)內(nèi)的晶粒結(jié)構(gòu)因高溫可能再結(jié)晶成精細(xì)晶粒。熱力影響區(qū)內(nèi)材料因高熱流密度而發(fā)生塑性形變。緊鄰熱力影響區(qū)的熱影響區(qū)(HAZ)內(nèi)材料經(jīng)歷熱循環(huán)后，其微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能皆發(fā)生變化。遠(yuǎn)離熔合線的母體材料(PM)在焊接過程中不發(fā)生形變[5]。近些年，人們逐漸認(rèn)識(shí)到殘余應(yīng)力的重要性，一些電廠基礎(chǔ)設(shè)施結(jié)構(gòu)完整性評(píng)估項(xiàng)目將焊接件殘余應(yīng)力列入其中[6]，如英國在R6評(píng)價(jià)程序中要求評(píng)價(jià)人員結(jié)合模擬計(jì)算和殘余應(yīng)力測量做出詳細(xì)的焊接殘余應(yīng)力分布圖。

厚度為40 mm的STE460鋼管在風(fēng)電廠基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)和油氣管道運(yùn)輸中起著重要作用。為準(zhǔn)確獲得厚STE460鋼管內(nèi)殘余應(yīng)力分布，測量工作需在焊接后、膨脹處理工序前進(jìn)行，以防止鋼管膨脹過程改變其內(nèi)部殘余應(yīng)力分布情況。衍射方法是目前唯一能無損定量獲取鐵合金工程部件內(nèi)部殘余應(yīng)力的方法；考慮到STE460鋼管的厚度是40 mm，目前只能采用中子衍射方法[2,7]。能量為0.025 3 eV的典型熱中子在純鐵中衰減長度約8.3 mm。因此，在測量時(shí)除需將譜儀本身參數(shù)調(diào)到最佳外，還應(yīng)仔細(xì)考慮取樣位置、取樣體積和中子束傳輸路徑。

本文以中子衍射法為主，輔以顯微法和硬度分析法測量分析厚度為40 mm的STE460鋼管焊縫殘余應(yīng)力分布、微觀形貌和硬度分布情況。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 焊接材料和焊接樣品

STE460鋼是德國標(biāo)準(zhǔn)(DIN17102)低合金高強(qiáng)度可焊接結(jié)構(gòu)鋼，主要用于要求具有良好冷成型及高強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)件，如汽車縱梁、橫梁，石油天然氣管道，發(fā)電廠基建等。除元素鐵作為主要成分外，其他主要化學(xué)成分列于表1。

表1 STE460鋼和焊絲主要化學(xué)成分Table 1 Chemical composition of STE460 and welding wire

本文采用的焊接方法是鎢極惰性氣體(TIG)保護(hù)焊接法。焊接過程中使用的填充焊絲成分與STE460鋼的成分十分接近，亦列于表1。采用該焊絲生成的全焊縫金屬主要機(jī)械性能參數(shù)較STE460鋼的高，列于表2。

表2 STE460鋼和全焊縫金屬主要機(jī)械性能參數(shù)Table 2 Main mechanical performance parameters of STE460 and full weld metal

1.2 中子衍射

中子衍射實(shí)驗(yàn)所用樣品是STE460鋼焊管在焊接后和膨脹前沿焊縫方向切割出來的，圖1a為其在衍射儀傳輸臺(tái)上的照片。樣品尺寸為300 mm×300 mm×40 mm，焊縫在其中心線上。樣品內(nèi)部殘余應(yīng)力會(huì)因切割有所釋放，但通常認(rèn)為如此切割尺寸的殘余應(yīng)力釋放很少?？紤]到熱中子在純鐵中的衰減長度約為8.3 mm，測量殘余應(yīng)力取樣位置分別設(shè)定在樣品外側(cè)約4 mm的位置和上表面下方約4 mm的位置，如圖1所示。這種選擇既能高效地利用中子束，又能確保測量取樣完全在樣品體內(nèi)。

中子衍射實(shí)驗(yàn)在德國STRESS-SPEC衍射儀上完成[7-9]，測量時(shí)的溫度是室溫。彎曲單晶Si(400)聚焦單色器選取波長λ=1.68 ?(1 ?=10-10m)的單色中子束進(jìn)行衍射，衍射角2θ=91°。第一準(zhǔn)直狹縫采用的尺寸為4 mm×10 mm，第二準(zhǔn)直狹縫采用半高寬(FWHM)為2 mm的徑向準(zhǔn)直器，取樣體積設(shè)置為4 mm×10 mm×5 mm。采用較大的取樣體積主要是因?yàn)楹缚p太厚和中子束在樣品中衰減太快。在垂直方向上較大取樣對(duì)譜儀的分辨影響很小，若在該方向上的材料均質(zhì)且殘余應(yīng)力相同或相近，則稍大取樣幾乎不影響分辨。在測量殘余應(yīng)力時(shí)，通過適當(dāng)旋轉(zhuǎn)和平移樣品，能保證在垂直方向上10 mm的取樣單一均質(zhì)。在另外兩個(gè)方向取樣也較大，這會(huì)降低空間分辨率；在靠近焊縫中心部分采點(diǎn)較密集，即相鄰取樣點(diǎn)的體積有1/2重疊，這等同于平滑了殘余應(yīng)力分布曲線。由于中子束在樣品中的快速衰減，采取較小取樣很難完成測量。為提高測量的精度和增加測量速度，實(shí)驗(yàn)采用3He二維位置靈敏探測器收集中子衍射數(shù)據(jù)。

為計(jì)算焊縫殘余應(yīng)力，分別測量樣品縱向(x)、橫向(y)和法向(z)上的殘余應(yīng)變，如圖1所示。根據(jù)文獻(xiàn)[2,5]，采用Fe(211)的峰位變化計(jì)算3個(gè)主軸方向上的殘余應(yīng)力分布。因?yàn)樵摲逍螤詈?，且?duì)塑性應(yīng)變效應(yīng)相對(duì)不敏感。采用應(yīng)力-織構(gòu)計(jì)算器軟件包(StressTextureCalculator)[10]通過高斯擬合確定Fe(211)衍射峰位，峰位的精度顯著影響最終殘余應(yīng)力值。

對(duì)于“應(yīng)變自由”或無應(yīng)變的晶格常數(shù)d0,211，采用電火花沿厚度方向從焊縫中心位置和離焊縫中心60 mm處的母體材料內(nèi)分別切出直徑3 mm的圓柱體[11-13]，如圖1a所示。再采用中子衍射譜儀掃描這3個(gè)無應(yīng)變圓柱體，然后根據(jù)布拉格定律，即式(1)，推算出Fe(211)晶格常數(shù)d211，d0,211取這些晶格常數(shù)的平均值。

紅虛線為殘余應(yīng)力和硬度取樣位置，黃點(diǎn)為顯微鏡取樣位置圖1 衍射譜儀樣品臺(tái)上測試的樣品(a)和STE460焊縫橫截面(b)Fig.1 Sample on translation table (a) and weld cross section of STE460 (b)

1.3 殘余應(yīng)力分析[2,6-7,14]

中子衍射法基于布拉格定律：

λ=2dhklsinθhkl

(1)

式中，λ為散射中子束的單色波長，若λ已知，測量出相應(yīng)的布拉格衍射角θhkl，則可根據(jù)布拉格定律計(jì)算得到晶格面間距dhkl。散射矢量方向垂直于晶面，即在入射中子束和出射中子束的角平分線上。在應(yīng)變測量過程中，通常用散射矢量方向確定取樣的位置和方向。

產(chǎn)生應(yīng)變的晶格面間距dhkl導(dǎo)致布拉格衍射峰位θhkl發(fā)生偏移，據(jù)此推算出彈性應(yīng)變?chǔ)?，即通過式(1)和無應(yīng)變的晶格面間距d0,hkl可推算出相應(yīng)晶面的彈性應(yīng)變?chǔ)舎kl：

(2)

應(yīng)力和應(yīng)變均為二階張量，在整個(gè)樣品中均不同。完全確定應(yīng)力張量要求至少測量6個(gè)方向的應(yīng)變張量。對(duì)于高對(duì)稱性、均勻和各向同性的樣品，測量樣品的3個(gè)主軸方向(x,y,z)足夠。任一主軸方向的應(yīng)力(本文標(biāo)為σ33)僅由所測量的3個(gè)主軸方向的應(yīng)變確定(ε11，ε22，ε33)：

(3)

在這種情況下，楊氏模量Ehkl和泊松常數(shù)υhkl僅是衍射彈性常數(shù)。更詳盡的使用中子衍射分析殘余應(yīng)力的方法可參考文獻(xiàn)[6，9]。本文中殘余應(yīng)變和殘余應(yīng)力分別由式(2)、(3)計(jì)算獲得。在式(3)中，E211和ν211分別表示Fe(211)衍射的楊氏模量和泊松比，分別取228.1 GPa和0.275，其值與文獻(xiàn)[15]報(bào)道的數(shù)值非常接近。

1.4 顯微分析和硬度測試

為觀察焊縫微觀形貌并進(jìn)行硬度測試，以焊縫為中心切取80 mm×40 mm×15 mm的小試樣，如圖1b所示。將切割下來的小試樣拋光至0.25 μm光面，然后在2%的硝酸溶液中攪拌浸漬蝕刻，以顯示其微觀形貌。采用奧林巴斯光學(xué)顯微鏡、蔡司AxioCam相機(jī)和AxioVision軟件分別獲取母體材料、熱影響區(qū)、熱力影響區(qū)、熔核區(qū)及其相關(guān)區(qū)域的顯微照片。

硬度測試是在Wilson-Tukon 2100硬度測試儀上進(jìn)行的，負(fù)載是0.2 kg，采用維氏壓頭，在焊縫的橫截面上，分別沿焊縫和垂直焊縫進(jìn)行硬度測量，取樣點(diǎn)與中子衍射取樣基本一致，如圖1b所示。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 殘余應(yīng)力

在垂直焊縫方向上，以焊縫中線為坐標(biāo)原點(diǎn)。x軸殘余應(yīng)力在靠近焊縫的母體材料內(nèi)是壓應(yīng)力，在焊接區(qū)是拉應(yīng)力，且在熔核區(qū)拉應(yīng)力接近400 MPa，接近STE460鋼的屈服強(qiáng)度460 MPa，低于全焊縫金屬屈服強(qiáng)度的典型值650 MPa，如圖2a所示。相似情況也有文獻(xiàn)報(bào)道，如攪拌摩擦焊接304L不銹鋼時(shí)，焊縫內(nèi)殘余應(yīng)力接近其母體材料屈服強(qiáng)度[16-17]。這兩者相同之處是熱經(jīng)歷均是產(chǎn)生殘余應(yīng)力的主要原因，最大不同之處是前者的焊縫成分與母體材料雖略有不同，但機(jī)械性能卻差異很大(表2)，后者是同種材料。橫穿焊縫的y軸和垂直鋼板平面的z軸殘余應(yīng)力變化趨勢(shì)基本相同，幅值均很小，基本在100 MPa之內(nèi)。y軸殘余應(yīng)力主要是拉應(yīng)力，z軸殘余應(yīng)力在母體材料和熔核區(qū)是拉應(yīng)力，在熱影響區(qū)和熱力影響區(qū)是壓應(yīng)力。

圖2 垂直焊縫方向(a)和沿厚度方向(b)不同取樣點(diǎn)處3個(gè)主軸應(yīng)力分布Fig.2 Triaxial residual stress distribution of cross section across (a) and through (b) weld

圖2b為沿厚度方向在焊縫中心線上x、y、z3個(gè)主軸殘余應(yīng)力分布。以鋼管樣品外邊為坐標(biāo)原點(diǎn)，x、y、z3個(gè)主軸殘余應(yīng)力可分成兩個(gè)部分，分界點(diǎn)在22.5 mm，也是兩次焊接的分界線(圖1b)。3個(gè)主軸殘余應(yīng)力分布是典型的兩次焊接殘余應(yīng)力的綜合。x軸殘余拉應(yīng)力先增大到1個(gè)平臺(tái)后減小，然后經(jīng)歷第2次焊接再增加，到焊接即將結(jié)束時(shí)減小，最后由于外部快速冷卻又增大。y軸和z軸殘余應(yīng)力分布大趨勢(shì)上與x軸類似，經(jīng)過拉應(yīng)力向壓應(yīng)力的轉(zhuǎn)變，殘余應(yīng)力幅值均較小。在x軸方向上的殘余拉應(yīng)力絕大部分小于全焊縫金屬屈服強(qiáng)度的典型值650 MPa，但最高達(dá)到670 MPa，超過全焊縫金屬屈服強(qiáng)度，接近STE460鋼和全焊縫金屬抗拉強(qiáng)度。焊接件內(nèi)的大殘余應(yīng)力，不僅降低其性能，亦存在巨大潛在安全隱患，需其他工藝將其消減。相似的情況在鎳基合金焊接件中也有文獻(xiàn)[14]報(bào)道，且能通過其他工藝將其減小。

此外，綜合考慮中子束穿透深度、切割影響、樣品厚度，測量取樣要在樣品體內(nèi)，譜儀單色器特征和測量時(shí)間等因素，測量殘余應(yīng)力取樣位置選擇在距樣品外側(cè)4 mm的位置和樣品上表面下4 mm的位置，如圖1所示。理論上，垂直焊縫方向和沿厚度方向存在1個(gè)共同測量點(diǎn)。實(shí)際測量中，由于步長和取樣體積的影響，圖2a的中心位置(在0 mm處)與圖2b的第2個(gè)測量點(diǎn)位置(在5 mm處)最接近。這2個(gè)點(diǎn)在x、y、z3個(gè)主軸殘余應(yīng)力分別是(322±31)、(38±33)、(32±27) MPa和(392±19)、(27±17)、(42±17) MPa，可見它們十分接近。若考慮圖2b的第2個(gè)測量點(diǎn)位置與圖2a的中心位置因測量步長原因?qū)е孪嗖? mm，對(duì)其進(jìn)行線性插值處理，則圖2b在4 mm位置的3個(gè)主軸殘余應(yīng)力分別是(388±24)、(37±18)、(56±19) MPa，它們就更接近了。但實(shí)際不一致，這主要是因?yàn)闇y量取樣的位置只是大部分重合，而該點(diǎn)的殘余應(yīng)力卻是整個(gè)取樣體積內(nèi)殘余應(yīng)力的平均值。

2.2 全峰半高寬

衍射峰的位置與散射晶粒內(nèi)平均彈性應(yīng)變或宏觀應(yīng)變有關(guān)，而衍射峰的形狀則與晶粒尺寸和微觀應(yīng)變有關(guān)，微觀應(yīng)變參考的是晶格參數(shù)在平均值附近的分布。由于位錯(cuò)密度的演化，散射晶粒之間以及每個(gè)晶粒內(nèi)部形變的不均勻性導(dǎo)致了形變的擴(kuò)展和展寬，而形變的擴(kuò)展和展寬又與塑性應(yīng)變有關(guān)[5]。因此，樣品全峰半高寬(FWHM)的變化可作為選擇具有本征應(yīng)變區(qū)域大小的依據(jù)。圖3顯示全峰半高寬在垂直焊縫方向(a)和沿厚度方向(b)的分布圖。全峰半高寬的值變化較小，這與所選擇的峰位Fe(211)對(duì)塑性應(yīng)變不敏感有關(guān)[2,5]。仔細(xì)觀察，全峰半高寬在距焊縫中心位置約20 mm的熱影響區(qū)和熱力影響區(qū)稍小，在x、y、z3個(gè)主軸上反應(yīng)十分明顯，如圖3a所示。這表明在熱影響區(qū)和熱力影響區(qū)的晶粒尺寸和塑性形變稍大一些。通常認(rèn)為在焊接過程中，該區(qū)所受溫度使界面處的晶粒尺寸、組織和取向發(fā)生了劇烈的變化，但這種變化足以形成明顯的位錯(cuò)密度和亞晶粒，而不足使晶粒重結(jié)晶和/或恢復(fù)到原來程度。全峰半高寬在x和z軸上均勻一些，幾乎均在0.6°～0.7°內(nèi)，這表明晶粒尺寸較小且較均勻。全峰半高寬的值在y軸上偏大，不僅最大值接近0.9°，且在中心位置左右兩側(cè)差距很大，這主要是因?yàn)闃悠诽?，測量時(shí)中子束所經(jīng)歷的路徑太長，中子束強(qiáng)度衰減過多，不得不增加測量時(shí)間，這樣產(chǎn)生雜散信號(hào)疊加成衍射峰寬，即不是傳統(tǒng)意義上的晶粒間應(yīng)力(即第二類應(yīng)力)增強(qiáng)的體現(xiàn)，也不能表明晶粒尺寸變小。圖3b為沿厚度方向在焊縫中心線上全峰半高寬在x、y、z3主軸上的分布圖，其值波動(dòng)很小，幾乎均在0.6°～0.75°以內(nèi)。這些說明在熔核區(qū)的晶粒尺寸和塑性形變都很均勻。

圖3 垂直焊縫方向(a)和沿厚度方向(b)不同測量點(diǎn)處全峰半高寬分布Fig.3 FWHM distribution of cross section across (a) and through (b) weld

2.3 顯微結(jié)構(gòu)

圖4為母體材料、熱影響區(qū)、熱力影響區(qū)、靠近固液過渡區(qū)的熔核區(qū)、熔核區(qū)、兩熔核區(qū)交界線的光學(xué)顯微照片，可觀察到焊縫不同部位的晶粒都很均勻。仔細(xì)觀察對(duì)比從母體材料到熔核區(qū)，能發(fā)現(xiàn)母體材料的晶粒較熱影響區(qū)和熱力影響區(qū)的晶粒尺寸??；靠近固液過渡區(qū)的熔核區(qū)、兩熔核區(qū)交界線和熔核區(qū)出現(xiàn)很多更細(xì)的晶粒，且前兩個(gè)區(qū)域出現(xiàn)少量孿晶。這主要是因?yàn)樵诤附舆^程中，不同位置經(jīng)歷的溫度越高，晶粒細(xì)化越明顯[18]；在交界處溫差大產(chǎn)生孿晶。STE460鋼焊縫與很多焊縫微觀結(jié)構(gòu)類似[6,13,18]，不同的是其他鋼焊核區(qū)晶粒取向分布特別明顯，尤其在焊核區(qū)邊界更顯著，在圖3d、f上僅有微弱的趨勢(shì)。

2.4 硬度

圖5為維氏硬度在垂直焊縫方向和沿厚度方向的分布圖。在垂直焊縫方向上距焊接中心位置20 mm處的熱力影響區(qū)和熱影響區(qū)的硬度明顯低于熔核區(qū)和母體材料，如圖5a所示，這表明該區(qū)表面抵抗塑性形變的能力稍弱。因?yàn)樵谠搮^(qū)所受溫度使界面處的晶體足以產(chǎn)生顯著的位錯(cuò)密度和亞晶粒，而不足以使晶粒重結(jié)晶和/或恢復(fù)到原來程度，即其本身塑性形變稍高，晶體尺寸稍大，硬度稍低。這種趨勢(shì)與圖3a全峰半高寬類似，通常認(rèn)為，硬度分布與殘余應(yīng)力分布關(guān)聯(lián)性很弱，與塑性形變或全峰半高寬關(guān)聯(lián)性稍強(qiáng)。熔核區(qū)因溫度足夠高而發(fā)生了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。因此，母體材料和熔核區(qū)的硬度會(huì)稍高一些。圖5b顯示，在沿厚度方向上的維氏硬度主要分布在(200～250)HV0.2區(qū)間，這與圖5a的焊核區(qū)內(nèi)維氏硬度幾乎一致，也與母體材料的幾乎一致。從工程角度看，整個(gè)部件的維氏硬度差異很小，大體均勻一致。

a——母體材料；b——熱影響區(qū)；c——熱力影響區(qū)；d——靠近固液過渡區(qū)的熔核區(qū)；e——熔核區(qū)；f——兩熔核區(qū)交界線圖4 光學(xué)顯微照片顯示不同點(diǎn)的微觀結(jié)構(gòu)Fig.4 Micrographs showing microstructures at different points

圖5 維氏硬度在垂直焊縫方向(a)和沿厚度方向(b)的分布Fig.5 Hardness distribution across (a) and through (b) weld

3 總結(jié)

本文采用基于角發(fā)散的中子衍射譜儀STRESS-SPEC、顯微鏡和硬度分析儀研究40 mm厚STE460鋼管焊縫三維殘余應(yīng)力、微觀形貌、硬度等信息。研究結(jié)果表明，焊縫的殘余應(yīng)力最高達(dá)670 MPa，這個(gè)數(shù)值超過STE460鋼屈服強(qiáng)度460 MPa，接近其抗拉強(qiáng)度720 MPa，如此高的殘余應(yīng)力在工程應(yīng)用中是非常不利的。全峰半高寬分析表明塑性形變?cè)跓崃τ绊憛^(qū)和熱影響區(qū)略高，晶粒尺寸在該區(qū)稍大，整個(gè)焊縫的不同區(qū)域里所有晶粒都是均勻細(xì)晶。沿焊縫方向和垂直焊縫方向的硬度幾乎一致，均在(200～250)HV0.2范圍內(nèi)。同時(shí)還分析了殘余應(yīng)力、塑性形變、晶粒尺寸與維氏硬度之間的關(guān)聯(lián)性。這些研究數(shù)據(jù)能很好幫助其他同行結(jié)合X射線衍射分析表面和近表面殘余應(yīng)力，結(jié)合一些破壞性的方法分析測量焊件內(nèi)部的殘余應(yīng)力，再結(jié)合模擬計(jì)算給出STE460厚鋼焊件的整體殘余應(yīng)力分布圖。這些研究結(jié)果不僅直接滿足一些電廠工程建設(shè)的需求，還可作為磁巴克豪森噪聲、超聲波和渦流檢測等非破壞性殘余應(yīng)力評(píng)估工具的刻度依據(jù)，并進(jìn)一步擴(kuò)展人們對(duì)厚STE460鋼管焊件內(nèi)部殘余應(yīng)力的認(rèn)識(shí)，因?yàn)椴捎弥凶友苌浞o損定量測量40 mm厚的焊接件內(nèi)部殘余應(yīng)力實(shí)屬罕見。

感謝德國反應(yīng)堆中子源FRM Ⅱ提供衍射譜儀STRESS-SPEC中子束流時(shí)間。