近年来，随着核电站对运行可靠性与安全性要求的不断提升，核反应堆压力容器（Reactor Pressure Vessel, RPV）作为承载堆芯与冷却剂的关键压力边界，其结构完整性显得尤为重要[1]。焊接是核反应堆压力容器和管道制造的关键工序。蒸汽发生器和反应堆压力容器中含有大量的均质和异种金属焊接（Dissimilar metal weld, DMW）接头，如图1所示。其母材具有良好的机械和耐腐蚀性，如奥氏体不锈钢和镍基合金。这些焊接接头通常采用传统的电弧焊方法，如气体金属电弧焊和气体钨电弧焊。高局部焊接残余应力、大梯度组织非均匀，以及焊接引起的材料性能非线性梯度变化对材料的抗应力腐蚀性能以及接头疲劳裂纹的萌生和扩展机制有显著影响[2]。在恶劣的使用环境中，残余应力是导致应力腐蚀开裂和晶间腐蚀开裂问题的重要因素之一。这对核电站焊接结构的长期安全运行构成了严重威胁。因此，如何有效控制RPV构件焊缝的残余应力和微观组织对核反应堆的可靠运行至关重要。
图1 异种焊接头连接RPV喷嘴和安全端管: (a)位置; (b)材料组成[2]
在核电站高温高压服役环境耦合腐蚀介质侵蚀的复杂工况下，RPV焊接接头可靠性面临多物理场耦合失效机制的严峻挑战。单方面的微观组织优化或残余应力释放均难以全面消除焊缝区的性能劣化，采用残余应力调控与微观组织优化的多维协同设计是行之有效的策略。
目前，常用的后处理方法包括焊后热处理和表面后处理。传统焊后热处理可有效降低焊接中的残余应力，但其特点是能耗高、加工时间长。由于其结构特性，许多焊接接头在采用此类热处理技术时面临挑战。而脉冲电退火处理技术作为一种新兴的后处理技术，近年来被广泛应用于材料中残余应力的消除与微观结构调控 [3-5]。其基本原理是：脉冲电流诱导的焦耳热效应和电塑性非热效应会同时促进单极位错迁移率与位错偶极子湮灭率的增加，从而在微观上使材料组织均匀化、宏观上有效调控结构残余应力。
此外，激光喷丸、超声冲击等表面强化后处理技术近年来也受到了广泛的关注。其通过激光冲击波/超声冲击头作用于材料表面，诱导表面发生剧烈塑性变形，能够有效去除表面污染物和氧化层的同时，实现表面晶粒/微观结构的细化并引入残余压应力场，从而有效增强组件抗疲劳性和耐应力腐蚀性能，为RPV的长期可靠服役和核电站的安全稳定运行提供坚实的技术保障。
一、RPV结构焊接微观组织、残余应力及其对力学性能的影响
反应堆压力容器（RPV）包含大量异种金属焊缝（DMW），DMW接头将反应堆压力容器安全端（SA508-III 低合金钢）与压水堆中的初级回路管（奥氏体不锈钢）连接起来。图2显示了所涉及的DMW的示意图，“52 Mb”中的后缀“b”表示“隔离层堆焊”，“52 Mw”中的“w”表示“焊接”，这两个部件使用相同的镍基填充金属52 M，但采用不同的焊接程序制成。152覆层焊接在管道的内表面，覆盖SA508低合金钢和52 Mb。Li等人[6]在压水堆的152镍基熔覆层中发现了Nb-Fe拓扑密堆（Topologically Close-Packed, TCP）相夹杂物，它位于DMW焊缝的内壁。TCP相是一类金属间化合物，通常含有过渡金属元素，其复杂的晶体结构和物理性质通常会对构件力学性能产生显著影响。
图2 压力容器安全端管处的异种焊接接头：微观组织和力学性能[6]
进一步地，采用多尺度技术对材料的力学性能进行了系统的研究。讨论了TCP相夹杂物的形成原因及其在长期运行过程中对裂纹萌生和扩展的可能影响。结果显示：TCP相夹杂物的开裂敏感性比152包层更高，在原位拉伸试验中是脆性裂纹的起始点。因此，与包层相比，富Nb-Fe的TCP 相夹杂物的开裂敏感性高于152包层，对材料整体力学性能产生更为显著的影响。
在初步了解焊接过程中引入的非均匀组织对焊缝的开裂敏感性影响之后，另一个需要重点关注的就是焊接残余压应力对焊接接头疲劳性能的影响。图4a列举了焊接接头影响焊缝疲劳性能的因素，例如焊接瑕疵和缺陷、焊趾和焊根的几何缺口导致应力集中区域、由于不同焊接区的热历史不同而产生的结构缺口，导致具有不同机械性能的不均匀微结构等等。除此之外，还存在着不均匀的、不可避免的焊接残余应力，这对焊接构件的疲劳性能影响尤为重要。如图4b所示，对接焊接板的纵向和横向残余应力分布图。焊缝本身的纵向拉伸残余应力通常很高，而焊缝两侧会表现出小幅度残余压应力维持内应力局部平衡。横向残余应力在很大程度上取决于焊缝的约束，即外部夹紧条件，但也取决于焊接过程中的焊缝长度、板厚和温度梯度。如果约束足够，则在焊缝中部横向方向产生残余拉应力，而在焊缝开始和结束处产生残余压应力。
焊接残余应力会显著影响焊接结构的性能，尤其是是影响其疲劳强度和疲劳寿命。如图5a所示，通常拉伸应力会促进疲劳裂纹萌生与扩展，而局部的残余压应力场可以延缓裂纹的产生并阻碍裂纹扩展。此外，疲劳强度对残余应力的敏感性在低周疲劳和高周疲劳之间的疲劳响应时可能存在差异。对于低周疲劳，寿命通常由应变范围控制，显著的残余应力在前几个循环内释放或由塑性应变的大振幅释放。高周疲劳则以应力为主导，对残余应力敏感，因为它涉及大量的应力循环，而这些应力不足以或者产生局部微塑性变形。因此，在高周疲劳范围内，残余应力的微小变化会对疲劳强度产生相当大的影响，甚至会导致有限寿命和无限寿命的差异（如图5b所示）。
Jiang等人[9]讨论了基材和焊接接头在不同平均应力下的疲劳寿命，如图5c所示。结果表明，平均应力水平对材料的疲劳寿命有很强的影响，即疲劳寿命随着平均应力的增加而降低。此外，焊接接头的疲劳寿命分布比母材更分散，且疲劳寿命均比母材要低，这主要是焊接接头处的残余拉应力增加了名义疲劳平均应力导致的。通常，考虑残余应力对疲劳裂纹萌生与扩展行为影响的主要方式有：①残余应力对疲劳平均应力影响的叠加原理（公式1），以及②残余应力对疲劳裂纹尖端闭合效应（公式3）。
参考文献
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