焊接结构中的残余应力

本文讨论了焊接结构中残余应力的性质,包括其大小、方向性、空间分布、范围和种类。以下因素均会对残余应力产生影响：材料性能、材料制造、焊接构件的几何形状和加工工艺、焊接工艺、焊后处理工艺和服役条件。本文给出了板对接焊缝、管对接环焊缝以及表面堆焊中的残余应力分布实例。这些实例表明,不同几何形状的焊接接头,其残余应力的大小和分布是不同的。本文验证了各构件材料的力学性能、热学性能和相组成对残余应力的影响,以及在焊接过程中残余应力对焊道顺序和焊接中所使用约束的敏感性,并采用管材和压力容器的对接环焊缝的一般范例来进一步阐明测量点到焊缝的距离及焊后热处理对残余应力的影响。残余应力的实测值或模拟计算值存在大的分散性和不确定性。这种分散性可能是由测量点或材料性能的差异等系统因素造成的,或者是由所测数据的实验误差、模拟分析时的错误假定,或者是由预先存在的残余应力、记录不全的焊接或制造工艺和未记录的局部修复等未知因素导致的。为了提高残余应力的预测准确度和降低不确定性,需要更好地记录焊接结构及其零部件材料的制造过程、服役史,并更好地理解和分析许多可能影响残余应力的工艺过程。     

TC4钛合金焊后电子束局部热处理及焊接残余应力测试研究

针对TC4钛合金通过电子束焊后局部热处理工艺来改善接头的性能,采用X射线法对电子束局部热处理后焊接残余应力的分布趋势进行了测试研究.试验结果表明:经电子束局部热处理后,TC4钛合金焊缝区马氏体晶粒组织得到细化;同时上表面接头残余应力的分布得到改善.     

2219铝合金搅拌摩擦焊和钨极保护焊焊接件残余应力的中子衍射研究

利用中子衍射法对2219铝合金搅拌摩擦焊（FSW）和钨极保护焊（TIG）焊接件开展了三维残余应力测量,并对残余应力分布规律进行了分析。结果表明：焊接件的纵向残余应力数值较大;FSW焊接件残余应力整体较TIG焊接件的小;FSW和TIG焊接件的残余拉应力最大值分别为101 MPa和174 MPa,FSW焊接件残余拉应力最大值较TIG焊接件的小;FSW残余拉应力最大值处于轴肩边缘,且前进侧峰值大于后退侧峰值;TIG焊接件残余拉应力最大值处于焊缝边缘。通过中子衍射实验获得的焊接件残余应力分布,将可用于焊接工艺的优化与焊接件的寿命预测。     

核电站钢制安全壳焊后热处理仿真技术研究

利用SYSWELD软件模拟安全壳筒体第1大环和第2大环之间环焊缝的焊后热处理过程,分析局部整圈和局部分段热处理后安全壳的残余应力及变形情况;通过实测残余应力与数值模拟残余应力结果的对比,证明数值模拟结果的正确性和可靠性,同时结合工程实际情况,证明局部分段热处理方法的合理性,并确定了合理且经济的局部热处理分段方案。研究结果为大壁厚、大体积的钢制安全壳热处理提供了一种有效的途径。      

辐照后的铝焊缝残余应力的中子衍射测量

利用中子衍射方法测量分析退役后的反应堆部件上铝焊缝的残余应力,研究反应堆辐照对铝焊缝残余应力的影响。测量结果表明:最大残余应力位于热影响区;反应堆辐照剂量越大,铝焊缝部位的残余应力由压应力变化为张应力的震荡越大;远离焊缝位置,辐照后样品的应变不为零。     

STE460钢厚焊缝残余应力的中子衍射研究

管道焊接残余应力是影响管道安全和使用寿命的关键因素。中子衍射是唯一无损检测厚钢焊缝结构完整性的方法。本文主要采用中子衍射谱仪,辅以显微镜和硬度分析仪研究40 mm厚STE460钢管钨极惰性气体保护焊得的焊缝的残余应力分布、微观形貌、维氏硬度等。研究结果表明,焊缝的残余应力最高达670 MPa,非常接近STE460钢抗拉强度极限,而热影响区内的残余应力很小。全峰半高宽分析表明,焊缝区域塑性形变程度较低。整个焊缝不同区域的晶体显微照片表明其皆是均匀细晶。沿着焊缝方向和垂直焊缝方向的维氏硬度几乎一致,均在（200~250）HV02范围内。分析测试结果不仅满足工业应用里的电站基础结构建设和其他非破坏性残余应力评估装置校准的需求,并能增加对STE460钢厚截面焊缝的认知。     

利用中子衍射方法测量高强度钢残余应力分布

金属构件的残余应力对其力学性能有重要影响。一般认为，压应力对提高构件的疲劳强度有益，拉应力则可能促使裂纹开裂、应力腐蚀和减少疲劳寿命而对构件产生不利影响。长期以来，残余应力的研究一直受到学术界和工业界的重视，准确测量残余应力非常重要。     

焊后热处理对SA517 Gr.F焊接接头力学性能与组织的影响

为更好地掌握焊后热处理(PWHT)对SA517Gr.F调质钢焊接接头性能的影响,对SA517Gr.F调质钢手工电弧焊(SMAW)焊接接头进行了焊态(AW)与PWHT试样力学性能和组织分布特征的对比分析研究。分析结果表明:PWHT与AW相比,焊接接头室温拉伸和360℃高温拉伸的抗拉强度均有所下降;焊缝和热影响区(HAZ)峰值硬度降低。PWHT降低了焊接接头的残余应力,但未能改善焊缝和HAZ的冲击性能。建议对于SA517 Gr.F调质钢若满足ASME规范案例N-71-18条件,可免除焊后热处理。     

焊后热处理对SA517 Gr.F焊接接头力学性能与组织的影响

In order to better understand the effect of PWHT (post weld heat treatment) on SA517 Gr.F quenched and tempered steel welded joint, the mechanical properties and microstructure distribution characteristics of SA517 Gr.F welded joint by SMAW (shielding metal arc welding) before and after PWHT were compared and analyzed. The analysis results show that, compared with that of as-weld welded joint, both the room temperature and 360℃ high temperature tensile properties of the welded joint decrease, and the peak micro-hardness of weld metal and HAZ also decrease after PWHT. The residual stress of the welded joint is decreased by PWHT, however, the impact properties of the weld and HAZ are not improved. It is suggested that PWHT can be exempted for SA517 Gr.F quenched and tempered steel if the requirements of ASME Code Case N-71-18 can be satisfied.     

CARR中子残余应力谱仪的设计与应用

中国先进研究堆(CARR)旁的中子残余应力谱仪是我国第1台利用中子衍射方法测量残余应力的设备。它的样品台及部分附属设备从瑞典引进,结合CARR的实际情况,完成了概念设计、物理设计及机械加工,目前谱仪正在调试中。新的单色器屏蔽体起飞角在41°～109°连续可变,采用五维姿态调整台,方便灵活地调整单色器的位置。使用双聚焦Si(311)单色器,谱仪的分辨可以达到0.2%。一维中子位置灵敏探测器ORDELA1128N的主要指标与REST上使用的ORDELA1150N的相比有了很大改进。谱仪的附属设备多样,具备开展织构测量和材料原位拉伸等实验研究的能力。     

铍环焊接残余应力的中子衍射测试与有限元分析

利用稳态堆上的中子衍射应力谱仪开展了铍环激光焊接后的残余应力测试。先进行铍材中子衍射应力测试的参数及其优化研究,在固定堆功率、衍射晶面和规范体积的条件下,选取测试时间分别为600s和6 000s进行铍环上同一点的中子衍射峰的重复性测试,结果表明,后者测试铍材应变的统计误差仅为前者的1/3,其标准偏差约为1.10×10-5。取后者测试时间作为优化参数,对铍环焊缝附近轴向应变和环向应变方向的中子衍射峰进行测试,获得两个方向的残余应变分布,进一步计算出焊接残余应力分布。对铍环激光焊接过程的温度场和应力场进行三维有限元数值模拟,将有限元计算得到的铍环焊缝附近中间壁厚处的残余应力和应变与中子衍射测试结果进行对比,结果表明二者分布规律较为一致。     

动态应变时效对18MND5低合金钢材料抗拉性能的影响分析及服役安全评价

18MND5低合金钢凭借其良好的机械性能,被广泛应用于压水堆核电站核岛设备上。针对核岛设备用国产18MND5低合金钢钢板,在性能热处理状态和性能热处理+模拟消应力热处理两种状态下,进行了室温及100、125、150、175、200、250、300、350 ℃拉伸试验。基于上述试验结果,分析了动态应变时效对不同热处理条件下18MND5低合金钢材料抗拉性能的影响。结果表明,在室温～350 ℃温度范围内,随着温度的升高,18MND5低合金钢材料的抗拉强度呈先下降后上升的特征,抗拉强度谷值出现在150～200 ℃,发生了动态应变时效。采用两种热循环制度模拟18MND5低合金钢材料的封头成形工艺,分析了热循环制度对材料抗拉性能的影响。结果表明,18MND5低合金钢材料150 ℃下的抗拉强度仍低于350 ℃下的抗拉强度,动态应变时效的影响仍存在;经历热循环后18MND5低合金钢材料的抗拉强度未低于原始材料性能态的抗拉强度。此外,根据RCC-M中设备设计用抗拉强度S_u的计算公式,对18MND5低合金钢材料在抗拉强度低谷的服役安全性进行了评价。结果表明,在动态应变时效影响下,18MND5低合金钢材料产生的抗拉强度的谷值仍处于材料安全使用范围内。     

焊接残余应力对316LN不锈钢应力腐蚀裂纹扩展速率的影响

核电站不锈钢管道焊接过程中引入的残余应力对焊接接头的应力腐蚀开裂性能有较大影响。本文针对一AP1000主管道316LN不锈钢焊接模拟件进行残余应力分析和应力腐蚀裂纹扩展速率测量,得到了焊后原始状态和去应力热处理状态的焊接热影响区材料在高温高压水中的应力腐蚀裂纹扩展速率。实验结果表明,焊接残余应力明显提高了热影响区的应力腐蚀裂纹扩展速率,且在含氢的压水堆一回路正常水化学下焊接残余应力的影响更加显著。     

P11耐热钢窄间隙焊接接头组织分布特征与性能分析

针对P11耐热钢采用钨极氩弧自动焊进行多层单道窄间隙焊接,对接头进行金相试验和力学性能测试,重点探讨并总结了窄间隙钨极氩弧多层单道焊接接头组织的分布特征及与硬度的对应关系。测试结果表明：接头中的填充焊道组织为铁素体和屈氏体,粗、细晶区呈交互层叠状分布,组织较母材细小,硬度高于母材;盖面焊道组织以回火马氏体和粒状贝氏体为主,组织粗大且出现了网状屈氏体,硬度较填充焊道组织高;焊接热影响区中铁素体+珠光体组织呈条带状分布,与焊缝内组织相近。接头拉伸试验结果表明接头各区域抗拉强度较为均匀,与组织分析结果相吻合。冲击试验结果表明接头各区域冲击吸收能量均满足设计要求。     

中子应力谱仪双聚焦Si单色器设计、模拟与测试

本文对中国先进研究堆中子应力谱仪使用的双聚焦Si单色器进行了设计、模拟和测试。采用SIMRES模拟程序确定了单色器垂直曲率及Si片厚度的最优值,并得到品质因数与散射角、单色器水平曲率和波长的依赖关系。实际测试结果表明,与平板Cu单色器相比,使用双聚焦Si单色器样品处中子强度提高了15倍。     

热处理工艺对UMo合金微观组织结构的影响

为研究UMo合金制粉前的晶粒尺寸控制,分别在900、950及1 000 ℃进行了均匀化退火热处理,分析了平均晶粒度和晶粒增长速度与均匀化退火温度及合金中Mo含量的关系。结果表明,随均匀化热退火温度和合金中Mo含量的增大,晶粒长大速度和极限晶粒度均增大。在560 ℃和570 ℃开展了长时间热处理,通过测量合金中相变程度发现,随Mo含量的增大,合金的γ相稳定性变好,UMo合金燃料的堆内服役性能也会更好。     

热加工对Zr-Sn-Nb锆合金显微组织和耐腐蚀性能的影响

将Zr-Sn-Nb新锆合金样品分别进行多种变形热处理，用透射电子显微镜研究它们的显微组织和第二相粒子。然后，将它们放入高压釜中，在350℃、16.8MPa、含70μg/gLi⁺的LiOH水溶液中腐蚀。结果表明：580℃ 3h/冷轧/500℃ 30h处理的样品具有最好的耐腐蚀性能，这归因于该样品中Zr-Nb-Fe第二相粒子细小分布均匀、第二相粒子体积分数最高，从而导致基体中的Nb元素固溶含量最低。