奥氏体不锈钢不仅具有良好的力学性能和加工性能，同时还具有耐腐蚀、抗氧化和耐高温特性，因而被广泛应用到现代工业生产的各个领域。但是与普通的碳钢相比， 奥氏体不锈钢具有较大的热膨胀系数和较小的导热系数，在其焊接过程中，尤其是大厚板或管道的焊接， 局部的升温和冷却过程使焊接构件产生较大的残余应力， 在其服役过程中易产生脆性断裂和疲劳失效；同时在腐蚀环境下，残余应力的分布情况对应力腐蚀裂纹的出现及扩展也会有较大的影响，从而影响构件的使用寿命。而根据GB150 规定，奥氏体不锈钢在生产过程中不做焊后去应力热处理。因此，分析生产过程中产生的残余应力大小和分布，对设计、制造和后续安全评定有着至关重要的意义。

    奥氏体不锈钢厚板的焊接不仅会产生残余应力， 还存在较大的变形倾向。变形的存在不仅增加了后续工作的装配难度， 也降低了构件的承载能力和力学性能。为解决厚板焊接变形问题，生产中通常采用预置反变形法或背板约束法。但目前针对这两种约束条件下的焊接残余应力的相关研究还较少。

    本文首先利用等强度梁试验确定采用X 射线衍射法测量316L 不锈钢的测试参数， 并验证测试结果的准确性， 然后分析了两种约束条件下不锈钢厚板窄间隙TIG 焊对接接头的残余应力，研究不同约束条件下的残余应力大小和分布。研究结果为改善316L 不锈钢焊接工艺、控制焊接残余应力和变形提供了参考。

    1 试验材料与方法

    试验对象为316L奥氏体不锈钢平板对接接头， 试板尺寸为300 mm ×160 mm ×22mm。坡口尺寸如图1 所示。由于坡口较窄， 采用多层单道焊的形式填充坡口。采用加拿大LIBURDI公司的全位置脉冲TIG 自动焊机，填充材料选用与母材成分接近的ER316LSi 焊丝。

    两种不同的约束条件示意图如图2 所示， 其中图2（a）为预置反变形法，将待焊工件与基板呈15°摆放， 并在边缘将待焊工件与基板焊在一起进行约束；图2（b）为背板约束法，在待焊板材背面使用两块碳钢板，将其与待焊板材焊在一起进行约束。反变形法的板材焊接前进行峰值温度为550℃的去应力退火，背板约束法的板材焊接前进行峰值温度1040℃的去应力退火处理。在这两种约束条件下，使用相同的焊接工艺参数。焊前不进行预热，焊接过程中层间温度控制在120℃以下。

    2 等强度梁试验

    X 射线衍射法是一种无损应力测试方法。当一束X 射线照射材料表面时， 根据布拉格定律可知，晶面间距的变化会引起衍射角2θ 的变化。当被测样品表面存在应力时，不同取向的衍射晶面间距不同，因此不同的入射角得到的衍射角2θ 也是不同的。在测试过程中，令X 射线以不同的入射角照射被测材料的同一位置，使用接收器接收衍射的X 射线。通过衍射峰的横坐标确定衍射强度最大的位置（即衍射角2θ 的位置）， 然后计算不同入射角位置的衍射角2θ 的变化量，计算得到最终的应力值。测试所用设备为加拿大PROTO 公司的iXRD 应力分析仪。

    根据莫塞莱定律（式（1））可知，在X 射线应力测试中， 所用靶材的原子序数应比被测材料的原子序数稍小或大很多，奥氏体不锈钢主要元素为Fe 元素，因此初步采用Cr 靶和Mn 靶进行测试。

    使用这两种靶材分别在120°～164°范围内扫描，衍射图谱如图3 所示。通过图3 可得出，当选用Cr 靶时，分别在128°和149°附近位置出现明显的衍射峰，对应的衍射晶面为（220）和（311）晶面，选用Mn 靶时仅在152°附近位置出现明显的衍射峰，其对应的衍射晶面为（311）晶面。

    在X 射线衍射应力测试中，需要选择入射线与试样表面法线夹角ψ0位置、摇摆角度、准直器直径、曝光时间和曝光次数。试验中ψ0位置分别为±25.0°、±19.1°、±13.6°、±4.6°、0°。根据前人研究结果， 适当地增加摇摆角可提高衍射峰强度， 改善峰形，从而提高测试结果的准确度，这种现象尤其在晶粒粗大的材料中更为明显。根据衍射峰形的衍射峰强度、半高宽和峰形的平滑程度， 确定Cr 靶和Mn 靶的测试参数，见表1。

    对于无应力铁粉、碳钢等材料的残余应力测量，该方法已成熟，但对于不锈钢该方法还未成熟。因此，在不锈钢焊接构件测量之前，应通过等强度梁试验确定合适的测试参数。选择不同的衍射晶面、衍射参数， 将不同参数下测试得到的应力值与理论应力值进行对比， 从而得到适合被测试样的测试参数及衍射晶面。

    等强梁试验示意图如图4 所示， 将等强梁一端固定，另一端施加不同大小的负载，测试等强梁表面应力，从而得到不同负载下的应力值。理论应力值计算公式为：

    式中：σ 为等强梁的理论应力值；F 为施加的载荷；L为等强梁长度；h 为等强梁最大宽度；b 为等强梁厚度。根据施加的载荷大小和等强度梁的尺寸即可计算出等强梁表面应力的理论值。

    当测试用的金属靶材为Cr 靶时， 以（220）和（311）晶面作为衍射晶面；当金属靶材为Mn 靶时，以（311）晶面为衍射晶面，测量等强梁上表面应力。

    然后将测试结果与理论计算值进行对比。不同载荷下等强梁上表面应力理论值和测试值如图5 所示。

    由图3 可以得出，使用Cr 靶时以（220）晶面为衍射晶面得到的衍射峰形最好，但随着载荷的增加，测量得到的应力值与理论值的变化趋势完全不同，如图5 所示；以（311）晶面为衍射晶面得到的衍射峰半高宽较大，峰背比较小，应力值与理论值也存在一定误差，但其变化趋势与理论值一致。因此，在奥氏体不锈钢残余应力测试中， 当使用靶材为Cr 靶时，应以（311）晶面为衍射晶面。

    以（311）晶面为衍射晶面时，对比Cr 靶和Mn靶的衍射峰形和测试结果可发现：Mn 靶的衍射峰更为平滑，半高宽小、峰背比较大，衍射峰形比Cr 靶的衍射峰形更好，如图3 所示。采用Mn 靶的应力测试值大小及变化趋势与理论值完全相同，采用Cr 靶的应力测试值与理论值的差异可认为是由于衍射峰形稍差导致的。综上所述，奥氏体不锈钢残余应力的测试应选用Mn 靶，以（311）晶面为衍射晶面。

    3 试验结果与讨论

    在焊缝中点沿垂直于焊缝方向测试纵向残余应力的分布，如图6 所示。由于焊缝表面形状及组织的不均匀以及焊渣、氧化物的存在，导致X 射线易被吸收和散射，影响测试结果，无法反应真实应力，因此以焊趾处为初始测量点。在距离焊缝较近区域测试点间距较小，远离焊缝区域测试点距离较大。

    3.1 纵向残余应力

    纵向残余应力沿横向的分布如图7 所示。由图7 可以看出， 两种约束条件下纵向应力的横向分布趋势相同，在0～20mm 范围内，始终表现为较大的纵向拉应力状态，且随着距焊趾距离的增加，纵向拉应力均呈先增大后减小趋势。在20～50mm 范围内，随着距焊趾距离的增加，纵向应力值持续减小并由拉应力转变为压应力状态，在50mm 处纵向压应力值达到最大。距离大于50mm 的区域，受温度影响较小，且温度较低，因此应力梯度很小，并随着距离的增加，应力值趋于稳定，逐渐恢复至母材初始应力状态。反变形法的最大纵向拉应力和最大纵向压应力值均大于背板约束法， 这主要是由于反变形法在母材边缘沿焊缝方向将母材和基板焊接在一起，接头的纵向收缩存在约束， 而背板约束法仅对角变形进行约束而没有纵向的约束， 因此反变形法的纵向残余拉应力大于背板约束法的纵向残余拉应力，而在距焊趾50mm 附近的区域，为了平衡近焊缝区域较高的拉应力， 因此反变形法的纵向压应力值也大于背板约束法。同时由于反变形法的母材焊接前的去应力退火温度较低， 因此在板材表面依然保留着初始压应力，导致距焊缝较远、受温度影响较小的区域的纵向压应力值大于背板约束法。

    以纵向残余应力在横向方向的最大值处为基准点，平行于焊接方向进行纵向残余应力的测量，研究纵向残余应力沿纵向的分布。纵向残余应力沿纵向的分布如图8 所示。两种约束条件下纵向残余应力沿纵向的分布情况相同， 焊缝起弧端附近拉应力较小， 随着距焊缝起弧端距离的增加， 拉应力迅速增大，并在焊缝中段基本保持稳定，在焊缝后半段拉应力逐渐降低，并在收弧端附近接近初始应力状态。两者在焊缝中段应力值的不同主要是由于纵向应力测量点与焊趾处的距离不同， 背板约束的应力测量点距焊趾10mm，大于反变形法的5mm，因此测得的应力值较低，且焊缝中段应力值稳定区域也较小。

    综合纵向应力在横向和纵向的分布情况， 约束条件的改变对板材高温区域的纵向约束基本相同，因此纵向残余应力分布情况相同， 改变约束条件对纵向残余应力影响不大。

    3.2 横向残余应力

    图9 为横向残余应力沿横向的分布。可以看出，横向残余应力随着距焊趾的距离增加呈先增大后减小的趋势， 且均在距焊趾处5mm 的位置达到最大拉应力值。在0～30mm 范围内，反变形约束条件下的横向残余拉应力大于背板约束的横向残余拉应力， 这是由于反变形法是将平行于焊缝的板材侧面进行了约束，严重限制了板材的横向冷却收缩，因此其残余拉应力值大于背板约束条件下的横向残余应力。距离大于30mm 区域， 随着距焊趾处的距离增加，反变形条件下的残余应力值降低至母材初始应力状态，并保持不变。而在背板约束条件下，焊缝附近的拉应力使构件整体有V 形角变形的倾向， 但由于不能自由变形， 在构件上表面引入了附加的横向拉应力，因此在远离焊缝区域内依然存在横向拉应力。

    图10 是横向残余应力沿纵向的分布。可以看出，两种约束条件下，横向残余应力的纵向分布趋势相同，焊缝中段区域保持大小较为稳定的拉应力，起弧端和收弧端附近表现为压应力。由于背板约束的测试位置距焊趾较远，因此其应力值较小，且稳定区域也相对较小。

    4 结论

    （1） 使用X 射线衍射法测量奥氏体不锈钢残余应力应以（311）晶面为衍射晶面，且Mn 靶的测试效果优于Cr 靶。

    （2） 两种约束方式的纵向应力沿横向和纵向的分布情况相同，但预置反变形的纵向拉、压应力值均大于背板约束的纵向拉、压应力。

    （3） 两种约束条件下， 在距焊缝30mm 范围内，横向残余应力沿横向具有相同的分布情况。在距离大于30mm 的区域，随着距离增加反变形法的横向应力逐渐恢复至初始状态， 而背板约束依然保持一定的拉应力。横向残余应力沿纵向的分布趋势相同，焊缝中段区域保持大小较为稳定的拉应力，起弧端和收弧端附近表现为压应力。

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责任编辑：王元

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