奧氏體不銹鋼不僅具有良好的力學(xué)性能和加工性能，同時還具有耐腐蝕、抗氧化和耐高溫特性，因而被廣泛應(yīng)用到現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的各個領(lǐng)域。但是與普通的碳鋼相比， 奧氏體不銹鋼具有較大的熱膨脹系數(shù)和較小的導(dǎo)熱系數(shù)，在其焊接過程中，尤其是大厚板或管道的焊接， 局部的升溫和冷卻過程使焊接構(gòu)件產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力， 在其服役過程中易產(chǎn)生脆性斷裂和疲勞失效；同時在腐蝕環(huán)境下，殘余應(yīng)力的分布情況對應(yīng)力腐蝕裂紋的出現(xiàn)及擴(kuò)展也會有較大的影響，從而影響構(gòu)件的使用壽命。而根據(jù)GB150 規(guī)定，奧氏體不銹鋼在生產(chǎn)過程中不做焊后去應(yīng)力熱處理。因此，分析生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力大小和分布，對設(shè)計、制造和后續(xù)安全評定有著至關(guān)重要的意義。

    奧氏體不銹鋼厚板的焊接不僅會產(chǎn)生殘余應(yīng)力， 還存在較大的變形傾向。變形的存在不僅增加了后續(xù)工作的裝配難度， 也降低了構(gòu)件的承載能力和力學(xué)性能。為解決厚板焊接變形問題，生產(chǎn)中通常采用預(yù)置反變形法或背板約束法。但目前針對這兩種約束條件下的焊接殘余應(yīng)力的相關(guān)研究還較少。

    本文首先利用等強(qiáng)度梁試驗確定采用X 射線衍射法測量316L 不銹鋼的測試參數(shù)， 并驗證測試結(jié)果的準(zhǔn)確性， 然后分析了兩種約束條件下不銹鋼厚板窄間隙TIG 焊對接接頭的殘余應(yīng)力，研究不同約束條件下的殘余應(yīng)力大小和分布。研究結(jié)果為改善316L 不銹鋼焊接工藝、控制焊接殘余應(yīng)力和變形提供了參考。

    1 試驗材料與方法

    試驗對象為316L奧氏體不銹鋼平板對接接頭， 試板尺寸為300 mm ×160 mm ×22mm。坡口尺寸如圖1 所示。由于坡口較窄， 采用多層單道焊的形式填充坡口。采用加拿大LIBURDI公司的全位置脈沖TIG 自動焊機(jī)，填充材料選用與母材成分接近的ER316LSi 焊絲。

    兩種不同的約束條件示意圖如圖2 所示， 其中圖2（a）為預(yù)置反變形法，將待焊工件與基板呈15°擺放， 并在邊緣將待焊工件與基板焊在一起進(jìn)行約束；圖2（b）為背板約束法，在待焊板材背面使用兩塊碳鋼板，將其與待焊板材焊在一起進(jìn)行約束。反變形法的板材焊接前進(jìn)行峰值溫度為550℃的去應(yīng)力退火，背板約束法的板材焊接前進(jìn)行峰值溫度1040℃的去應(yīng)力退火處理。在這兩種約束條件下，使用相同的焊接工藝參數(shù)。焊前不進(jìn)行預(yù)熱，焊接過程中層間溫度控制在120℃以下。

    2 等強(qiáng)度梁試驗

    X 射線衍射法是一種無損應(yīng)力測試方法。當(dāng)一束X 射線照射材料表面時， 根據(jù)布拉格定律可知，晶面間距的變化會引起衍射角2θ 的變化。當(dāng)被測樣品表面存在應(yīng)力時，不同取向的衍射晶面間距不同，因此不同的入射角得到的衍射角2θ 也是不同的。在測試過程中，令X 射線以不同的入射角照射被測材料的同一位置，使用接收器接收衍射的X 射線。通過衍射峰的橫坐標(biāo)確定衍射強(qiáng)度最大的位置（即衍射角2θ 的位置）， 然后計算不同入射角位置的衍射角2θ 的變化量，計算得到最終的應(yīng)力值。測試所用設(shè)備為加拿大PROTO 公司的iXRD 應(yīng)力分析儀。

    根據(jù)莫塞萊定律（式（1））可知，在X 射線應(yīng)力測試中， 所用靶材的原子序數(shù)應(yīng)比被測材料的原子序數(shù)稍小或大很多，奧氏體不銹鋼主要元素為Fe 元素，因此初步采用Cr 靶和Mn 靶進(jìn)行測試。

    使用這兩種靶材分別在120°～164°范圍內(nèi)掃描，衍射圖譜如圖3 所示。通過圖3 可得出，當(dāng)選用Cr 靶時，分別在128°和149°附近位置出現(xiàn)明顯的衍射峰，對應(yīng)的衍射晶面為（220）和（311）晶面，選用Mn 靶時僅在152°附近位置出現(xiàn)明顯的衍射峰，其對應(yīng)的衍射晶面為（311）晶面。

    在X 射線衍射應(yīng)力測試中，需要選擇入射線與試樣表面法線夾角ψ0位置、搖擺角度、準(zhǔn)直器直徑、曝光時間和曝光次數(shù)。試驗中ψ0位置分別為±25.0°、±19.1°、±13.6°、±4.6°、0°。根據(jù)前人研究結(jié)果， 適當(dāng)?shù)卦黾訐u擺角可提高衍射峰強(qiáng)度， 改善峰形，從而提高測試結(jié)果的準(zhǔn)確度，這種現(xiàn)象尤其在晶粒粗大的材料中更為明顯。根據(jù)衍射峰形的衍射峰強(qiáng)度、半高寬和峰形的平滑程度， 確定Cr 靶和Mn 靶的測試參數(shù)，見表1。

    對于無應(yīng)力鐵粉、碳鋼等材料的殘余應(yīng)力測量，該方法已成熟，但對于不銹鋼該方法還未成熟。因此，在不銹鋼焊接構(gòu)件測量之前，應(yīng)通過等強(qiáng)度梁試驗確定合適的測試參數(shù)。選擇不同的衍射晶面、衍射參數(shù)， 將不同參數(shù)下測試得到的應(yīng)力值與理論應(yīng)力值進(jìn)行對比， 從而得到適合被測試樣的測試參數(shù)及衍射晶面。

    等強(qiáng)梁試驗示意圖如圖4 所示， 將等強(qiáng)梁一端固定，另一端施加不同大小的負(fù)載，測試等強(qiáng)梁表面應(yīng)力，從而得到不同負(fù)載下的應(yīng)力值。理論應(yīng)力值計算公式為：

    式中：σ 為等強(qiáng)梁的理論應(yīng)力值；F 為施加的載荷；L為等強(qiáng)梁長度；h 為等強(qiáng)梁最大寬度；b 為等強(qiáng)梁厚度。根據(jù)施加的載荷大小和等強(qiáng)度梁的尺寸即可計算出等強(qiáng)梁表面應(yīng)力的理論值。

    當(dāng)測試用的金屬靶材為Cr 靶時， 以（220）和（311）晶面作為衍射晶面；當(dāng)金屬靶材為Mn 靶時，以（311）晶面為衍射晶面，測量等強(qiáng)梁上表面應(yīng)力。

    然后將測試結(jié)果與理論計算值進(jìn)行對比。不同載荷下等強(qiáng)梁上表面應(yīng)力理論值和測試值如圖5 所示。

    由圖3 可以得出，使用Cr 靶時以（220）晶面為衍射晶面得到的衍射峰形最好，但隨著載荷的增加，測量得到的應(yīng)力值與理論值的變化趨勢完全不同，如圖5 所示；以（311）晶面為衍射晶面得到的衍射峰半高寬較大，峰背比較小，應(yīng)力值與理論值也存在一定誤差，但其變化趨勢與理論值一致。因此，在奧氏體不銹鋼殘余應(yīng)力測試中， 當(dāng)使用靶材為Cr 靶時，應(yīng)以（311）晶面為衍射晶面。

    以（311）晶面為衍射晶面時，對比Cr 靶和Mn靶的衍射峰形和測試結(jié)果可發(fā)現(xiàn)：Mn 靶的衍射峰更為平滑，半高寬小、峰背比較大，衍射峰形比Cr 靶的衍射峰形更好，如圖3 所示。采用Mn 靶的應(yīng)力測試值大小及變化趨勢與理論值完全相同，采用Cr 靶的應(yīng)力測試值與理論值的差異可認(rèn)為是由于衍射峰形稍差導(dǎo)致的。綜上所述，奧氏體不銹鋼殘余應(yīng)力的測試應(yīng)選用Mn 靶，以（311）晶面為衍射晶面。

    3 試驗結(jié)果與討論

    在焊縫中點沿垂直于焊縫方向測試縱向殘余應(yīng)力的分布，如圖6 所示。由于焊縫表面形狀及組織的不均勻以及焊渣、氧化物的存在，導(dǎo)致X 射線易被吸收和散射，影響測試結(jié)果，無法反應(yīng)真實應(yīng)力，因此以焊趾處為初始測量點。在距離焊縫較近區(qū)域測試點間距較小，遠(yuǎn)離焊縫區(qū)域測試點距離較大。

    3.1 縱向殘余應(yīng)力

    縱向殘余應(yīng)力沿橫向的分布如圖7 所示。由圖7 可以看出， 兩種約束條件下縱向應(yīng)力的橫向分布趨勢相同，在0～20mm 范圍內(nèi)，始終表現(xiàn)為較大的縱向拉應(yīng)力狀態(tài)，且隨著距焊趾距離的增加，縱向拉應(yīng)力均呈先增大后減小趨勢。在20～50mm 范圍內(nèi)，隨著距焊趾距離的增加，縱向應(yīng)力值持續(xù)減小并由拉應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力狀態(tài)，在50mm 處縱向壓應(yīng)力值達(dá)到最大。距離大于50mm 的區(qū)域，受溫度影響較小，且溫度較低，因此應(yīng)力梯度很小，并隨著距離的增加，應(yīng)力值趨于穩(wěn)定，逐漸恢復(fù)至母材初始應(yīng)力狀態(tài)。反變形法的最大縱向拉應(yīng)力和最大縱向壓應(yīng)力值均大于背板約束法， 這主要是由于反變形法在母材邊緣沿焊縫方向?qū)⒛覆暮突搴附釉谝黄穑宇^的縱向收縮存在約束， 而背板約束法僅對角變形進(jìn)行約束而沒有縱向的約束， 因此反變形法的縱向殘余拉應(yīng)力大于背板約束法的縱向殘余拉應(yīng)力，而在距焊趾50mm 附近的區(qū)域，為了平衡近焊縫區(qū)域較高的拉應(yīng)力， 因此反變形法的縱向壓應(yīng)力值也大于背板約束法。同時由于反變形法的母材焊接前的去應(yīng)力退火溫度較低， 因此在板材表面依然保留著初始壓應(yīng)力，導(dǎo)致距焊縫較遠(yuǎn)、受溫度影響較小的區(qū)域的縱向壓應(yīng)力值大于背板約束法。

    以縱向殘余應(yīng)力在橫向方向的最大值處為基準(zhǔn)點，平行于焊接方向進(jìn)行縱向殘余應(yīng)力的測量，研究縱向殘余應(yīng)力沿縱向的分布?？v向殘余應(yīng)力沿縱向的分布如圖8 所示。兩種約束條件下縱向殘余應(yīng)力沿縱向的分布情況相同， 焊縫起弧端附近拉應(yīng)力較小， 隨著距焊縫起弧端距離的增加， 拉應(yīng)力迅速增大，并在焊縫中段基本保持穩(wěn)定，在焊縫后半段拉應(yīng)力逐漸降低，并在收弧端附近接近初始應(yīng)力狀態(tài)。兩者在焊縫中段應(yīng)力值的不同主要是由于縱向應(yīng)力測量點與焊趾處的距離不同， 背板約束的應(yīng)力測量點距焊趾10mm，大于反變形法的5mm，因此測得的應(yīng)力值較低，且焊縫中段應(yīng)力值穩(wěn)定區(qū)域也較小。

    綜合縱向應(yīng)力在橫向和縱向的分布情況， 約束條件的改變對板材高溫區(qū)域的縱向約束基本相同，因此縱向殘余應(yīng)力分布情況相同， 改變約束條件對縱向殘余應(yīng)力影響不大。

    3.2 橫向殘余應(yīng)力

    圖9 為橫向殘余應(yīng)力沿橫向的分布?？梢钥闯觯瑱M向殘余應(yīng)力隨著距焊趾的距離增加呈先增大后減小的趨勢， 且均在距焊趾處5mm 的位置達(dá)到最大拉應(yīng)力值。在0～30mm 范圍內(nèi)，反變形約束條件下的橫向殘余拉應(yīng)力大于背板約束的橫向殘余拉應(yīng)力， 這是由于反變形法是將平行于焊縫的板材側(cè)面進(jìn)行了約束，嚴(yán)重限制了板材的橫向冷卻收縮，因此其殘余拉應(yīng)力值大于背板約束條件下的橫向殘余應(yīng)力。距離大于30mm 區(qū)域， 隨著距焊趾處的距離增加，反變形條件下的殘余應(yīng)力值降低至母材初始應(yīng)力狀態(tài)，并保持不變。而在背板約束條件下，焊縫附近的拉應(yīng)力使構(gòu)件整體有V 形角變形的傾向， 但由于不能自由變形， 在構(gòu)件上表面引入了附加的橫向拉應(yīng)力，因此在遠(yuǎn)離焊縫區(qū)域內(nèi)依然存在橫向拉應(yīng)力。

    圖10 是橫向殘余應(yīng)力沿縱向的分布?？梢钥闯觯瑑煞N約束條件下，橫向殘余應(yīng)力的縱向分布趨勢相同，焊縫中段區(qū)域保持大小較為穩(wěn)定的拉應(yīng)力，起弧端和收弧端附近表現(xiàn)為壓應(yīng)力。由于背板約束的測試位置距焊趾較遠(yuǎn)，因此其應(yīng)力值較小，且穩(wěn)定區(qū)域也相對較小。

    4 結(jié)論

    （1） 使用X 射線衍射法測量奧氏體不銹鋼殘余應(yīng)力應(yīng)以（311）晶面為衍射晶面，且Mn 靶的測試效果優(yōu)于Cr 靶。

    （2） 兩種約束方式的縱向應(yīng)力沿橫向和縱向的分布情況相同，但預(yù)置反變形的縱向拉、壓應(yīng)力值均大于背板約束的縱向拉、壓應(yīng)力。

    （3） 兩種約束條件下， 在距焊縫30mm 范圍內(nèi)，橫向殘余應(yīng)力沿橫向具有相同的分布情況。在距離大于30mm 的區(qū)域，隨著距離增加反變形法的橫向應(yīng)力逐漸恢復(fù)至初始狀態(tài)， 而背板約束依然保持一定的拉應(yīng)力。橫向殘余應(yīng)力沿縱向的分布趨勢相同，焊縫中段區(qū)域保持大小較為穩(wěn)定的拉應(yīng)力，起弧端和收弧端附近表現(xiàn)為壓應(yīng)力。

更多關(guān)于材料方面、材料腐蝕控制、材料科普等方面的國內(nèi)外最新動態(tài)，我們網(wǎng)站會不斷更新。希望大家一直關(guān)注中國腐蝕與防護(hù)網(wǎng)http://www.ecorr.org

責(zé)任編輯：王元

《中國腐蝕與防護(hù)網(wǎng)電子期刊》征訂啟事
投稿聯(lián)系：編輯部
電話：010-62313558-806
郵箱：fsfhzy666@163.com
中國腐蝕與防護(hù)網(wǎng)官方 QQ群：140808414