核电设备的焊接残余应力研究现状及调控措施

（中国核动力研究设计院核反应堆系统设计重点实验室，四川成都610041）

0 前言

核电反应堆及一回路系统中反应堆压力容器、稳压器、蒸汽发生器、反应堆冷却剂泵、堆内构件、控制棒驱动机构、主管道、堆芯补水箱等主设备，其主要结构材料为16MND5低合金钢（508-III钢），不锈钢、Inconel 690镍基合金等。核电主设备的制造、现场安装等均采用大量焊接成形方式，其焊接结构形式包括低合金钢主承压对接焊缝、低合金钢上不锈钢堆焊、接管安全端异种金属焊缝、J型坡口异种金属密封焊缝等。低合金钢主承压对接焊缝多采用机械埋弧焊，低合金钢上不锈钢大面积堆焊多采用带极电渣堆焊、带极埋弧堆焊，接管安全端异种金属焊缝多采用机械TIG焊，J型坡口异种金属密封焊缝多采用手工焊条电弧焊及手工TIG焊，主管道现场焊接多采用自动TIG焊等焊接工艺。焊缝质量是影响核电厂设备质量及核电厂安全的关键因素。焊接区局部不均匀快速加热和冷却会造成焊缝及其邻近区域产生不协调应变而形成构件内部自相平衡的内应力（无外力作用），即焊接残余应力。焊接残余应力是焊接的固有产物，直接影响焊接结构的制造质量和使用性能[1-2]，严重时会导致构件的失效甚至报废。

由于焊接残余应力的不可见性和危害性，研究焊接应力的分布、作用与影响，掌握调控焊接残余应力的方法和措施，对于准确评价焊接制造质量、提高焊接结构的服役安全性和寿命具有非常重要的意义。焊接残余应力的测试、分析和调控是当今焊接研究的热点和难点。本文以核电设备电弧熔化焊接形成的残余应力为主要对象，简要介绍焊接残余应力的危害性及影响因素、分布特征和调控措施。

1 焊接残余应力的危害性和影响因素

核电设备中，焊接残余应力的不利影响可分为以下几个方面[1-3]：

（1）降低构件静载承受能力。焊缝区的纵向拉伸焊接残余应力的峰值较高，甚至接近材料的屈服强度，当外载工作应力和高拉伸残余应力方向一致时，两者叠加后会造成局部塑形变形，导致构件有效承载截面减少，降低结构的承载能力。

（2）引起构件低应力脆性断裂。构件温度较低或结构钢韧性较低时，或在疲劳载荷、腐蚀环境条件下，以及焊接缺陷（如裂纹、未熔透、未熔合等）的存在，焊接残余应力会增加焊接结构产生低应力脆性断裂的可能性[2，4]。尽管焊接残余应力分布于焊接局部区域，但对焊接结构的断裂影响却是全局的。

（3）降低构件疲劳强度。拉伸焊接残余应力阻碍裂纹闭合，提高疲劳载荷的应力平均值，改变应力循环特征，从而加剧应力循环损伤，降低疲劳强度[1，3，5]。

（4）降低结构的刚度。当外部工作应力为拉应力时，与焊缝中的拉应力相叠加，会发生局部屈服，导致结构的刚度降低，构件卸载后不能恢复到初始尺寸[1]。

（5）引起应力腐蚀开裂。焊接构件在腐蚀介质环境中工作，焊接残余拉应力作用会引起应力腐蚀开裂，这在不锈钢和镍基材料[6－7]上尤其明显。

（6）引起氢脆及蠕变开裂。焊接残余应力是导致氢在焊接接头聚集的主要原因之一[8]，容易造成接头氢脆断裂[1－2]。焊接残余应力也是影响焊接结构蠕变性能的重要因素[9]，会引起蠕变空洞开裂[2]。

（7）影响构件尺寸精度和尺寸稳定性。构件中的焊接残余应力经过加工或服役过程会部分释放，释放掉的残余应力使构件中原有残余应力场失去平衡而重新分布，引起构件变形，影响构件的尺寸精度和尺寸稳定性。

影响焊接残余应力的主要因素包括[10－11]：（1）焊接过程（热输入、焊道数目、焊接顺序、打磨和修补等）；（2）焊缝（坡口）形状（包括结构拘束度）；（3）局部结构特征（焊趾、焊根和盖面焊道）；（4）焊缝和母材材料性能；（5）组织变化和相变塑性；其他还有焊接前后热处理、焊接前后机加工等因素。

由此可见，焊接残余应力危害大，其分布和大小受众多因素影响。需深入研究其分布规律和影响因素，评价其幅值及其分布，才能更准确地评价焊接结构的可靠性和服役寿命；在此基础上采取一定的措施调控有害的焊接残余应力，才能有效保证焊接结构的服役安全性。

2 大厚度板及管对接焊残余应力分布特征

按照是否损坏构件自身结构，焊接残余应力测试方法可分为两类：破坏法和非破坏法。破坏法也可称为机械应变释放法，主要包括小孔法、裂纹柔度法、轮廓法等。非破坏性法也称为物理方法，主要包括X射线衍射法、中子衍射法、超声波法等。对于核电设备，多采用小孔法、X射线衍射法测试构件表面残余应力，而对于构件内部残余应力的测试手段和关注度相对较少。大厚度管或板焊接结构是核电设备常见焊接结构，由于厚度上残余应力测量难度很大，大都需要进行破坏性试验，费用昂贵，因此大厚度焊接件内部应力研究成果非常有价值。在此主要介绍大厚度板对接和管对接自由态的内部应力分布特征。

2.1 大厚度板对接焊内部残余应力

焊接残余应力定义为横向、纵向和z向，纵向应力σx为沿焊缝方向的应力；横向应力σy为垂直焊缝方向应力；z向应力σz为厚度方向应力。相对纵向和横向应力，z向焊接残余应力的幅值较小，工程上一般不予考虑。厚板结构在三个方向对焊缝的拘束不同，因而三个方向应力沿厚度分布不同。纵向收缩受到纵向的强拘束作用，因而纵向应力在整个厚度上为较高的拉应力；最终焊道的横向收缩受到前一焊道的拘束，因而上表面横向应力为拉伸应力，中部区域产生压缩横向应力，下表面产生拉伸应力来与上表面的横向拉伸应力平衡（横向应力在厚度上平衡）。由于第一道和最后一道焊接，熔敷金属在厚度上自由收缩，因而上下表面的z向残余应力为0，中部区域的压缩横向应力导致z向应力为压缩应力[11]。

Shim等人[12]分析了50.8 mm厚试板对接焊的残余应力沿厚度分布特征。结果表明：焊缝中心横向残余应力沿厚度呈现拉应力-压应力-拉应力的分布；纵向残余应力在整个厚度上都为拉应力，且中部应力小于上下表层应力，峰值纵向拉伸应力出现在距表面5 mm处。汪建华等人[13]的研究表明：板厚50 mm的窄间隙多层对接焊接接头的焊缝中心处整个厚度上的纵向残余应力为拉应力，最大纵向拉伸应力出现在距下表面一定距离处，峰值接近材料的室温屈服强度；横向应力从上表面到下表面基本上为拉应力-压应力-拉应力的分布趋势。Smith等人[14]测量了108 mm厚铁素体钢板对接焊的残余应力，结果表明：距焊缝中心20 mm处（熔合区）整个厚度上的纵向应力为较大拉应力，上下表层的横向应力为拉应力，而中部位置的横向应力为压应力，与测试位置厚度上的横向应力相互平衡。Stefanescu等人[15]研究了50 mm厚S690Q钢板对接焊接残余应力沿厚度分布特征，结果表明：焊缝中心处的纵向应力为拉伸应力，其峰值纵向拉应力分别出现在距近上表面10 mm和距下表面5 mm位置，达到500 MPa。横向残余应力在焊缝中心处从上表面到下表面分布趋势为拉应力-压应力-拉应力。Liu等人[16]采用轮廓法测试了55 mm厚对接试板的内部应力分布全貌，结果表明：焊缝区域的纵向应力为较大拉伸应力，峰值应力出现在距表面5～8 mm处（接近材料屈服强度），远离焊缝位置出现较小压缩应力与焊缝区拉伸应力平衡；焊缝区的横向应力从上表面到下表面整体趋势为拉伸-压缩-拉伸分布，拉伸横向应力峰值也出现在距表面5～8 mm处。

以上研究表明：厚板电弧焊对接接头的纵向残余应力在厚度上基本上为拉伸应力，焊缝中心处的纵向拉伸残余应力峰值出现在距表面一定深度处（约5～8 mm），峰值应力接近材料屈服强度；横向残余应力在近表面区域为拉伸应力，而内部为压缩应力；焊缝区横向应力幅值小于纵向应力。

2.2 管道环焊缝内部应力分布特征

焊接管道是核电结构中最常见的焊接结构。Dong[17]比较了大量碳钢和不锈钢环焊缝接头的残余应力测试和计算结果，认为环焊缝沿厚度轴向应力分布特征可以分为两类：弯曲型和自平衡型分布。弯曲型轴向应力分布特征是：焊缝区域外壁的轴向应力为压缩应力而内壁区域为拉伸应力，离焊缝中心一定距离处的沿厚度轴向应力与焊缝中心的弯曲应力形式反向。自平衡型轴向应力分布特征是：焊缝区域外壁到内壁的轴向应力分布为拉伸-压缩-拉伸。轴向应力为弯曲类型时，焊缝区域沿厚度环向应力趋于均匀分布，且整个焊缝区域都为拉应力，在远离焊缝区域出现压缩环向应力。沿厚度轴向应力为自平衡分布时，其焊缝区域的环向应力在内部存在一局部压缩应力分布区域。Dong[17]进一步分析认为，大多数环焊缝沿厚度轴向应力分布是弯曲型和自平衡型两种类型的混合。随壁厚的增加（热输入和焊道尺寸相同），沿厚度轴向应力从纯粹的弯曲类型逆时针旋转，逐渐向自平衡类型应力发展，相应的沿厚度环向应力也呈逆时针旋转趋势。

Bouchard 等[10]发现：管径与厚度的比值（r/t）较小（r/t=25，t=15.9 mm），双V坡口和相对较小的热输入（2.2 kJ/mm）焊接不锈钢管道环焊缝，其沿厚度轴向应力也呈现自平衡分布。Bouchard等人[10]研究认为，焊缝区域沿厚度分布残余应力可分解为三种宏观应力分量：膜应力、沿厚度弯曲应力和自平衡应力。自平衡应力又可以进一步分解为特征长度约等于t的基础应力以及特征长度远小于t的高阶应力。膜应力和弯曲应力是焊缝收缩（通常是几个焊道的综合结果）受周围材料的拘束引起的。基础自平衡应力分布源于焊道热力循环所受的局部拘束。高阶自平衡应力与焊道、焊道引弧/熄弧位置应力集中、结构几何奇异性（焊根、焊趾和盖面焊）以及相变相关[10]。

3 残余应力调控措施

3.1 表面处理

（1）喷丸处理（Shot peening，SP）。细小弹丸高速撞击工件的喷丸处理能引起喷丸区的硬化及表层压缩残余应力。该方法可用于预防核电结构奥氏体不锈钢的晶间应力腐蚀开裂（IGSCC）[18]。喷丸方法可以破碎表面晶粒和晶界，使得碳在晶粒中沉淀均匀，以减小腐蚀敏感性。但喷丸过度会造成材料严重塑性变形，降低塑性。

（2）激光喷丸（Laser Shock Peening，LSP）。该方法的基本过程为：激光束透过水层，作用在工件上的隔离层上产生快速膨胀的等离子体，等离子体被限制在工件表面和透明覆盖物（水）之间，引起高压冲击波（达到1 000 MPa）冲击材料表面，产生局部塑性变形和压缩应力[19]。美国和法国的核电RPV所用的Alloy 600合金焊接接头已经采用激光喷丸处理[20]。

（3）磨粒水射流喷丸（Abrasive Water-Jet Peening，AWJP）。该方法将高压水和磨粒的混合物高速冲向工件表面，去除表面材料并在表层产生压缩应力[19]。AWJP已经应用在反应堆容器封头的控制杆驱动机构（CRDM）和堆芯构件测量仪表（ICI）管座上[20]。

（4）空泡喷丸（Cavitation Peening，CP）。该方法使用高压水射流泵产生高速水流，在材料表面形成密集的气泡，气泡破裂对材料产生冲击波，由此材料表层产生塑性变形和压缩应力[19]。该工艺比激光喷丸便宜且效率高。CP方法已经在日本应用于沸水堆的反应堆内部构件以防止应力腐蚀开裂[20]。

（5）超声冲击（Ultrasonic Impact Treatment，UIT）。该方法将超声频振动（20～30 KHz）转换为机械振动来处理构件表面，在表面产生塑性变形和压缩残余应力，深度可达 1.5～2 mm[21－22]，对原始应力的影响深度可达 15 mm[23－24]。

（6）焊缝碾压。采用高压滚轮碾压焊缝两侧或者整个焊缝，使焊缝产生剧烈塑性变形，能在焊缝中产生压缩应力，且有利于减少焊接变形[25]。焊缝碾压可以在焊接过程中（随焊碾压）或焊后（焊后碾压）实施。随焊碾压和一定频率的冲击力结合成为冲击碾压方法，能控制应力变形和防止焊接热裂纹[26]。

此外，焊缝锤击方法[27－28]也可在焊缝表面形成压缩应力，改变拉伸焊接应力状态。

3.2 应力释放处理及加载外力

（1）焊后热处理（Post-weldheat-treatment，PWHT）。该方法是最常用的改善焊缝区域力学性能及消除残余应力的方法，能降低焊接造成的拉伸和压缩应力幅值，使应力处于较小幅值状态[29]。PWHT对焊接残余应力消除的效果受初始应力状态、焊缝形状/拘束度、材料的蠕变行为和PWHT工艺影响。焊后热处理包括整体热处理和局部热处理两种。

（2）施加机械外力。Freedette等人[30]对PWR主冷却管道系统的异质金属接头的焊缝一侧整个圆周施加径向载荷，使管产生压缩变形，焊接结束后焊缝邻近区域内壁形成压缩应力。

此外，对焊接构件进行振动时效处理[31]也可以将焊接残余应力降至较小幅值。

对于核电主设备，根据其结构形式和使用经验，当前最常用且有效的调控措施是焊后热处理法。因此，针对不同结构形式、不同材料的焊接结构，选择合适的热处理工艺参数（热处理时机、升降温速率、保温时间等）是调控焊接残余应力的关键。关于焊后热处理工艺，法国RCC-M、美国ASME、我国NB等标准规范均有要求，应根据设备的结构形式、材料等选取相应的热处理工艺。对于大型构件复杂构件而言，整体热处理、振动时效和机械外力方法需要更大的加热设备、振动设备和外力加载设备，处理周期长；局部加热、各种喷丸法、焊缝碾压等方法的现场施工和露天作业适应性差；锤击方法存在劳动强度高、效率低、效果不明显等问题。超声冲击处理所产生的压应力深度，远大于高压水射流喷丸和激光喷丸技术造成的压应力深度（100～200 μm）[19]，该方法兼顾了TIG熔修（改善焊趾形貌）和喷丸（产生压缩应力、局部塑性变形和晶粒细化）的特点[24]。此外，超声冲击处理具有质量轻、操作灵活、表面应力调控效果显著的优点，与其他表面处理方法相比，其现场施工的灵活性及经济性具有明显优势。但超声冲击处理后的表面出现密集的麻坑，需要进行后续处理。

3.3 其他应力调控方法

（1）窄间隙小能量焊接方法。窄间隙小能量焊接能减少坡口宽度和熔敷金属量，管道焊接时可使管内壁产生压缩或者非常小的拉伸残余应力，减少焊缝收缩量和变形量，从而提高材料抵抗高温氧化水环境下的应力腐蚀开裂能力[32]。但窄间隙技术容易产生侧壁熔合不足等问题。

（2）管道内部施加热沉。该方法是焊接时在管内部通气或者通水，降低管内温度，产生沿厚度的温度梯度，从而导致热应力引起焊缝内部的局部塑形变形，最终使焊缝内表面和热影响区形成压缩残余应力或者较小的拉应力[32]。

（3）热拉伸技术。热拉伸技术是焊接时在焊炬后面或者两侧放置附加热源，以改变焊接过程温度分布最终实现焊接应力变形调控的方法。Lin等人[33]采用在焊炬两侧放置两并行热源的方法来调控304不锈钢残余应力，其焊后残余应力较传统焊接方法可缩减21%～32%。

（4）焊缝堆焊（Weld Overlays，WOLs）。因为焊后热处理不能完全消除异质金属接头的不协调热应力，焊缝堆焊方式可使环焊缝内壁出现压缩应力，防止异质金属焊接接头的应力腐蚀开裂[34]。

（5）相变方法。焊接冷却过程中铁素体焊缝和母材的热影响区会发生相变，如焊缝金属刚开始凝固时形成奥氏体，冷却到约800℃以下时转变为马氏体、贝氏体或铁素体。这些相变过程伴随着体积膨胀或随晶粒长大造成微观塑性变形，从而导致应力缩减，甚至产生压缩应力[35－36]。

4 结论

目前出现了多种焊接残余应力的调控方法，包括引入表面压缩应力的表面处理法、整体应力缩减的应力释放法以及焊接工艺、材料和结构设计等措施，通过分析每种方法有各自的优势和不足，提出将应力调控方法的特点和焊接结构的特点相结合，并且考虑应力调控实施的经济性和操作的便利性，为核电设备焊接结构的设计和应力调控提供参考。