不锈钢焊接构件的振动时效与热时效工艺分析
摘要：采用振动时效(VSR)和热时效两种方法对***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。
1 前言
***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***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***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***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***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)。