奧氏體不銹鋼不僅具有良好的力學性能和加工性能，同時還具有耐腐蝕、抗氧化和耐高溫特性，因而被廣泛應用到現代工業生產的各個領域。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和較小的導熱系數，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件產生較大的殘余應力， 在其服役過程中易產生脆性斷裂和疲勞失效；同時在腐蝕環境下，殘余應力的分布情況對應力腐蝕裂紋的出現及擴展也會有較大的影響，從而影響構件的使用壽命。而根據GB150 規定，奧氏體不銹鋼在生產過程中不做焊后去應力熱處理。因此，分析生產過程中產生的殘余應力大小和分布，對設計、制造和后續安全評定有著至關重要的意義。

    奧氏體不銹鋼厚板的焊接不僅會產生殘余應力， 還存在較大的變形傾向。變形的存在不僅增加了后續工作的裝配難度， 也降低了構件的承載能力和力學性能。為解決厚板焊接變形問題，生產中通常采用預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力的相關研究還較少。

    本文首先利用等強度梁試驗確定采用X 射線衍射法測量316L 不銹鋼的測試參數， 并驗證測試結果的準確性， 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力，研究不同約束條件下的殘余應力大小和分布。研究結果為改善316L 不銹鋼焊接工藝、控制焊接殘余應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，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行約束。反變形法的板材焊接前進行峰值溫度為550℃的去應力退火，背板約束法的板材焊接前進行峰值溫度1040℃的去應力退火處理。在這兩種約束條件下，使用相同的焊接工藝參數。焊前不進行預熱，焊接過程中層間溫度控制在120℃以下。

    2 等強度梁試驗

    X 射線衍射法是一種無損應力測試方法。當一束X 射線照射材料表面時， 根據布拉格定律可知，晶面間距的變化會引起衍射角2θ 的變化。當被測樣品表面存在應力時，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確定衍射強度最大的位置（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，計算得到最終的應力值。測試所用設備為加拿大PROTO 公司的iXRD 應力分析儀。

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

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

    在X 射線衍射應力測試中，需要選擇入射線與試樣表面法線夾角ψ0位置、搖擺角度、準直器直徑、曝光時間和曝光次數。試驗中ψ0位置分別為±25.0°、±19.1°、±13.6°、±4.6°、0°。根據前人研究結果， 適當地增加搖擺角可提高衍射峰強度， 改善峰形，從而提高測試結果的準確度，這種現象尤其在晶粒粗大的材料中更為明顯。根據衍射峰形的衍射峰強度、半高寬和峰形的平滑程度， 確定Cr 靶和Mn 靶的測試參數，見表1。

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

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

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

    當測試用的金屬靶材為Cr 靶時， 以（220）和（311）晶面作為衍射晶面；當金屬靶材為Mn 靶時，以（311）晶面為衍射晶面，測量等強梁上表面應力。

    然后將測試結果與理論計算值進行對比。不同載荷下等強梁上表面應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力測試中， 當使用靶材為Cr 靶時，應以（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果可發現：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 靶的應力測試值與理論值的差異可認為是由于衍射峰形稍差導致的。綜上所述，奧氏體不銹鋼殘余應力的測試應選用Mn 靶，以（311）晶面為衍射晶面。

    3 試驗結果與討論

    在焊縫中點沿垂直于焊縫方向測試縱向殘余應力的分布，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，導致X 射線易被吸收和散射，影響測試結果，無法反應真實應力，因此以焊趾處為初始測量點。在距離焊縫較近區域測試點間距較小，遠離焊縫區域測試點距離較大。

    3.1 縱向殘余應力

    縱向殘余應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力的橫向分布趨勢相同，在0～20mm 范圍內，始終表現為較大的縱向拉應力狀態，且隨著距焊趾距離的增加，縱向拉應力均呈先增大后減小趨勢。在20～50mm 范圍內，隨著距焊趾距離的增加，縱向應力值持續減小并由拉應力轉變為壓應力狀態，在50mm 處縱向壓應力值達到最大。距離大于50mm 的區域，受溫度影響較小，且溫度較低，因此應力梯度很小，并隨著距離的增加，應力值趨于穩定，逐漸恢復至母材初始應力狀態。反變形法的最大縱向拉應力和最大縱向壓應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將母材和基板焊接在一起，接頭的縱向收縮存在約束， 而背板約束法僅對角變形進行約束而沒有縱向的約束， 因此反變形法的縱向殘余拉應力大于背板約束法的縱向殘余拉應力，而在距焊趾50mm 附近的區域，為了平衡近焊縫區域較高的拉應力， 因此反變形法的縱向壓應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力退火溫度較低， 因此在板材表面依然保留著初始壓應力，導致距焊縫較遠、受溫度影響較小的區域的縱向壓應力值大于背板約束法。

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

    綜合縱向應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域的縱向約束基本相同，因此縱向殘余應力分布情況相同， 改變約束條件對縱向殘余應力影響不大。

    3.2 橫向殘余應力

    圖9 為橫向殘余應力沿橫向的分布。可以看出，橫向殘余應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 的位置達到最大拉應力值。在0～30mm 范圍內，反變形約束條件下的橫向殘余拉應力大于背板約束的橫向殘余拉應力， 這是由于反變形法是將平行于焊縫的板材側面進行了約束，嚴重限制了板材的橫向冷卻收縮，因此其殘余拉應力值大于背板約束條件下的橫向殘余應力。距離大于30mm 區域， 隨著距焊趾處的距離增加，反變形條件下的殘余應力值降低至母材初始應力狀態，并保持不變。而在背板約束條件下，焊縫附近的拉應力使構件整體有V 形角變形的傾向， 但由于不能自由變形， 在構件上表面引入了附加的橫向拉應力，因此在遠離焊縫區域內依然存在橫向拉應力。

    圖10 是橫向殘余應力沿縱向的分布。可以看出，兩種約束條件下，橫向殘余應力的縱向分布趨勢相同，焊縫中段區域保持大小較為穩定的拉應力，起弧端和收弧端附近表現為壓應力。由于背板約束的測試位置距焊趾較遠，因此其應力值較小，且穩定區域也相對較小。

    4 結論

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

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

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

更多關于材料方面、材料腐蝕控制、材料科普等方面的國內外最新動態，我們網站會不斷更新。希望大家一直關注中國腐蝕與防護網http://www.ecorr.org

責任編輯：王元

《中國腐蝕與防護網電子期刊》征訂啟事
投稿聯系：編輯部
電話：010-62313558-806
郵箱：fsfhzy666@163.com
中國腐蝕與防護網官方 QQ群：140808414