劉榮燈，陳東風(fēng)，劉蘊韜，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，因為它能與外部負載疊加，增加斷裂驅(qū)動力，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，人們逐漸認識到殘余應(yīng)力的重要性，一些電廠基礎(chǔ)設(shè)施結(jié)構(gòu)完整性評估項目將焊接件殘余應(yīng)力列入其中[6]，如英國在R6評價程序中要求評價人員結(jié)合模擬計算和殘余應(yīng)力測量做出詳細的焊接殘余應(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，在測量時除需將譜儀本身參數(shù)調(diào)到最佳外，還應(yīng)仔細考慮取樣位置、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 實驗方法

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

中子衍射實驗所用樣品是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)力會因切割有所釋放，但通常認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)。

中子衍射實驗在德國STRESS-SPEC衍射儀上完成[7-9]，測量時的溫度是室溫。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為焊縫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，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)。在另外兩個方向取樣也較大，這會降低空間分辨率；在靠近焊縫中心部分采點較密集，即相鄰取樣點的體積有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，實驗采用3He二維位置靈敏探測器收集中子衍射數(shù)據(jù)。

為計算焊縫殘余應(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[2,5]，采用Fe(211)的峰位變化計算3個主軸方向上的殘余應(yīng)力分布。因為該峰形狀好，且對塑性應(yīng)變效應(yīng)相對不敏感。采用應(yīng)力-織構(gòu)計算器軟件包(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，黃點為顯微鏡取樣位置圖1 衍射譜儀樣品臺上測試的樣品(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ε，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εhkl：

(2)

應(yīng)力和應(yīng)變均為二階張量，在整個樣品中均不同。完全確定應(yīng)力張量要求至少測量6個方向的應(yīng)變張量。對于高對稱性、均勻和各向同性的樣品，測量樣品的3個主軸方向(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[6，9]。本文中殘余應(yīng)變和殘余應(yīng)力分別由式(2)、(3)計算獲得。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[15]報道的數(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硬度測試儀上進行的，負載是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行硬度測量，取樣點與中子衍射取樣基本一致，如圖1b所示。

2 實驗結(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。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鋼的屈服強度460 MPa，低于全焊縫金屬屈服強度的典型值650 MPa，如圖2a所示。相似情況也有文獻報道，如攪拌摩擦焊接304L不銹鋼時，焊縫內(nèi)殘余應(yīng)力接近其母體材料屈服強度[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)不同取樣點處3個主軸應(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個主軸殘余應(yīng)力分布。以鋼管樣品外邊為坐標(biāo)原點，x、y、z3個主軸殘余應(yīng)力可分成兩個部分，分界點在22.5 mm，也是兩次焊接的分界線(圖1b)。3個主軸殘余應(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個平臺后減小，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度的典型值650 MPa，但最高達到670 MPa，超過全焊縫金屬屈服強度，接近STE460鋼和全焊縫金屬抗拉強度。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[14]報道，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個共同測量點。實際測量中，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個測量點位置(在5 mm處)最接近。這2個點在x、y、z3個主軸殘余應(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個測量點位置與圖2a的中心位置因測量步長原因?qū)е孪嗖? mm，對其進行線性插值處理，則圖2b在4 mm位置的3個主軸殘余應(yīng)力分別是(388±24)、(37±18)、(56±19) MPa，它們就更接近了。但實際不一致，這主要是因為測量取樣的位置只是大部分重合，而該點的殘余應(yīng)力卻是整個取樣體積內(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。由于位錯密度的演化，散射晶粒之間以及每個晶粒內(nèi)部形變的不均勻性導(dǎo)致了形變的擴展和展寬，而形變的擴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)對塑性應(yīng)變不敏感有關(guān)[2,5]。仔細觀察，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，這主要是因為樣品太厚，測量時中子束所經(jīng)歷的路徑太長，中子束強度衰減過多，不得不增加測量時間，這樣產(chǎn)生雜散信號疊加成衍射峰寬，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。仔細觀察對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?。豢拷桃哼^渡區(qū)的熔核區(qū)、兩熔核區(qū)交界線和熔核區(qū)出現(xiàn)很多更細的晶粒，且前兩個區(qū)域出現(xiàn)少量孿晶。這主要是因為在焊接過程中，不同位置經(jīng)歷的溫度越高，晶粒細化越明顯[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。

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。因為在該區(qū)所受溫度使界面處的晶體足以產(chǎn)生顯著的位錯密度和亞晶粒，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。這種趨勢與圖3a全峰半高寬類似，通常認為，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。熔核區(qū)因溫度足夠高而發(fā)生了動態(tài)再結(jié)晶。因此，母體材料和熔核區(qū)的硬度會稍高一些。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670 MPa，這個數(shù)值超過STE460鋼屈服強度460 MPa，接近其抗拉強度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在熱力影響區(qū)和熱影響區(qū)略高，晶粒尺寸在該區(qū)稍大，整個焊縫的不同區(qū)域里所有晶粒都是均勻細晶。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)力評估工具的刻度依據(jù)，并進一步擴展人們對厚STE460鋼管焊件內(nèi)部殘余應(yīng)力的認識，因為采用中子衍射法無損定量測量40 mm厚的焊接件內(nèi)部殘余應(yīng)力實屬罕見。

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