哈氏合金激光填絲焊與氬弧填絲焊力學(xué)性能分析

楊立峰，于京令，程 波，馬廣義，吳東江

（1.哈爾濱動(dòng)力電氣裝備有限責(zé)任公司，黑龍江哈爾濱150066；2.大連理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 大連116023）

0 前言

鎳基合金作為高溫合金和耐蝕合金在航空航天、核工程、能源動(dòng)力、海洋工程和石油化工等領(lǐng)域起到了至關(guān)重要的作用。其中Hastelloy C-276是一種耐蝕和耐熱沖擊性能良好的鎳基合金[1]，我國(guó)的非能動(dòng)大型先進(jìn)壓水堆核電機(jī)組中屏蔽式核主泵屏蔽套是由Hastelloy C-276薄板焊接成形，其主要作用為防止反應(yīng)堆冷卻劑接觸定子和轉(zhuǎn)子部件[2]，設(shè)計(jì)要求屏蔽套工作中能夠承受極端使役條件，因此在控制焊縫形貌的前提下，需要保證焊接接頭具有良好的力學(xué)性能。

核主泵屏蔽套套體板厚不超過(guò)0.7 mm，直徑大于600 mm，具有大徑厚比的特點(diǎn)，且直徑精度要求高，這對(duì)屏蔽套的焊接成形提出了較高的要求，工藝復(fù)雜且難度極大。目前屏蔽套焊接方式主要采用從美國(guó)引進(jìn)的氬弧填絲焊接工藝，但氬弧焊焊接接頭焊縫寬、顯微組織粗大且存在熱影響區(qū)，不利于屏蔽套長(zhǎng)期使役。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)Hastelloy C-276氬弧焊接過(guò)程的相組織演變、微觀組織形成等做了大量工作[3]，證實(shí)了Hastelloy C-276氬弧焊接過(guò)程中易生成脆性相，并且較大的熱輸入量極易導(dǎo)致微觀組織粗大、變形較大等問(wèn)題，一定程度上影響焊接接頭的耐腐蝕性和力學(xué)性能[4-7]。為了解決氬弧焊接技術(shù)存在的問(wèn)題，考慮到激光焊接熱輸入量小、可細(xì)化焊縫組織等特點(diǎn)，大連理工大學(xué)吳東江教授提出屏蔽套激光焊接工藝，針對(duì)Hastelloy C-276激光自熔焊接工藝進(jìn)行了大量探索[8-9]，同時(shí)也評(píng)價(jià)了焊接接頭的耐腐蝕性能和力學(xué)性能[10]。但屏蔽套體長(zhǎng)超過(guò)3000mm，在自熔焊接中存在負(fù)余高的風(fēng)險(xiǎn)，會(huì)影響屏蔽套的整體使用性能，因此在激光自熔焊接的基礎(chǔ)上發(fā)展了激光填絲焊接工藝。

本研究主要對(duì)比氬弧填絲焊接和激光填絲焊接接頭的力學(xué)性能。對(duì)0.7 mm厚的Hastelloy C-276薄板進(jìn)行焊接，通過(guò)滲透和射線檢測(cè)分析激光焊和氬弧焊的焊接接頭質(zhì)量，評(píng)價(jià)焊接接頭的拉伸及彎曲性能，并借助XRD物相分析等手段分析不同方式下焊接接頭力學(xué)性能異同的原因，以期為屏蔽套的焊接工藝提供技術(shù)參考。

1 實(shí)驗(yàn)材料和方法

實(shí)驗(yàn)材料為0.7mm厚的精軋Hastelloy C-276薄板和直徑0.5 mm的ERNiCrMo-4焊絲，化學(xué)成分見(jiàn)表1。利用精密剪板機(jī)制作成300 mm×100 mm的待焊試件，并在焊前使用酒精清洗待焊區(qū)。焊接方式為填絲焊接，選擇純氬氣作為保護(hù)氣以阻止焊縫區(qū)氧化以及加快熔融金屬冷卻速度。氬弧焊接試驗(yàn)采用米勒焊接電源，最大焊接電流200 A，實(shí)際焊接電流120~160A。激光焊接試驗(yàn)采用耦合Fanuc數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)的Nd：YAG毫秒級(jí)脈沖激光器，其最大輸出功率500 W，實(shí)際焊接中的激光功率為180~250 W。焊接工藝參數(shù)優(yōu)選原則為焊接過(guò)程穩(wěn)定，焊縫外觀質(zhì)量良好，保證焊縫上下余高近似相等且無(wú)缺陷存在。氬弧焊縫和激光焊縫幾何形貌如圖1所示。

表1 Hastelloy C-276鎳基合金和ERNiCrMo-4焊絲化學(xué)成分%

圖1 焊縫幾何形貌

對(duì)氬弧焊接和激光焊接試樣進(jìn)行滲透檢測(cè)和射線檢測(cè)，確保焊縫無(wú)咬邊、未焊透、氣孔和裂紋等缺陷。通過(guò)X射線衍射儀（XRD）檢測(cè)相結(jié)構(gòu)，確認(rèn)是否存在二次相和夾雜物等影響焊縫性能的缺陷。在上述3種檢測(cè)結(jié)果的基礎(chǔ)上，優(yōu)化工藝參數(shù)，確保獲得的焊接接頭無(wú)缺陷，并評(píng)價(jià)其拉伸和彎曲性能。

拉伸試驗(yàn)試件依照GB/T 2651-2005標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)制備，尺寸如圖2所示。焊縫位于試樣中間，試樣標(biāo)距為60 mm。焊后依次進(jìn)行線切割取樣，并用360#打磨去除線切割痕跡，保證試驗(yàn)的可靠性。拉伸試驗(yàn)速度5.0 mm/min。每組測(cè)試10個(gè)試樣以保證數(shù)據(jù)可靠性。利用掃描電鏡（SEM）觀察斷口，分析斷口形貌特征和夾雜物存在形式，采用XRD測(cè)定拉伸斷口表面的物相組成，研究夾雜物及物相結(jié)構(gòu)對(duì)斷裂的影響。

彎曲試驗(yàn)試件依照GB/T 2653標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)制備，尺寸如圖3所示。焊縫位于試件中央，采用對(duì)接焊背彎形式評(píng)價(jià)其彎曲性能。每種焊接形式測(cè)試10件以保證數(shù)據(jù)可靠度。肉眼觀察焊縫根部，確認(rèn)是否出現(xiàn)裂紋。

圖2 拉伸試樣尺寸示意

圖3 彎曲試件尺寸示意

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1 無(wú)損探傷

為了評(píng)價(jià)不同焊接工藝的穩(wěn)定性和焊接缺陷，本研究采用滲透檢測(cè)評(píng)價(jià)表面缺陷，采用射線探傷評(píng)價(jià)內(nèi)部缺陷。

滲透檢測(cè)樣件尺寸為300 mm×200 mm，焊縫長(zhǎng)300 mm，氬弧焊接和激光焊接各10件。由于屏蔽式核主泵電機(jī)屏蔽套的應(yīng)用環(huán)境為核電領(lǐng)域，因此對(duì)檢測(cè)精度要求較高，依照ISO 3452-2：2000標(biāo)準(zhǔn)選取UP-T核級(jí)滲透劑、UR-T核級(jí)清洗劑和UD-T核級(jí)顯像劑。滲透結(jié)果依照ASME法規(guī)第三卷NB分卷NB5350液體滲透檢測(cè)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)定，20個(gè)樣件均未出現(xiàn)大于1.5 mm的缺陷，所有樣品滲透檢測(cè)均合格，激光焊接和氬弧焊接均可獲得高質(zhì)量的焊縫表面。

射線檢測(cè)采用X射線探傷機(jī)HSXY-160，樣件尺寸與滲透檢測(cè)樣件尺寸及表面狀態(tài)一致，氬弧焊和激光焊各10件。典型射線檢測(cè)底片如圖4所示。檢測(cè)結(jié)果依照ASME法規(guī)第三卷NB分卷NB5320射線檢測(cè)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)價(jià)。全部樣品均通過(guò)射線檢測(cè)確定無(wú)裂紋、未完全熔合或未焊透缺陷。但激光焊縫比氬弧焊縫更窄，且焊縫均勻性更好。

2.2 拉伸及彎曲性能

焊接接頭的力學(xué)性能是評(píng)價(jià)焊接工藝可行性的重要依據(jù)，在此主要采用拉伸試驗(yàn)和彎曲試驗(yàn)評(píng)價(jià)焊接接頭的力學(xué)性能。

圖4 射線檢測(cè)底片

不同焊接工藝的焊接接頭拉伸強(qiáng)度如表2所示。由于焊接過(guò)程中有焊絲填充，所以焊縫存在正余高，其最大余高處的厚度約為母材厚度的1.4倍，因此拉伸斷裂時(shí)焊縫處的等效應(yīng)力小于母材所承受的應(yīng)力。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示全部拉伸樣件均呈現(xiàn)明顯剪切斷裂特征，且均斷于遠(yuǎn)離焊縫的母材處，典型斷裂樣件如圖5所示。激光焊接薄板的抗拉強(qiáng)度平均值為651.31 MPa，氬弧焊接薄板的抗拉強(qiáng)度平均值為684.40 MPa。結(jié)果表明，填絲焊接焊縫區(qū)的抗拉性能優(yōu)于母材，而且激光焊接與氬弧焊接的效果基本一致，氬弧焊接過(guò)程中熱影響區(qū)未影響焊接接頭的拉伸性能。

表2 拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)

不同焊接工藝焊接接頭的拉伸斷口如圖6所示。由圖6可知，母材的拉伸斷裂形式為韌性斷裂，斷口存在顯著的等軸韌窩，韌窩直徑約為3~6 μm。

焊接接頭斷口的相分析結(jié)果表明斷口處均為單一的奧氏體相，無(wú)其他析出相產(chǎn)生，與斷口SEM觀測(cè)結(jié)果一致，如圖7所示。

彎曲試驗(yàn)樣件彎曲角度為180°，壓頭直徑為24 mm，彎后樣件和受拉面焊縫處形貌如圖8、圖9所示。由于焊縫底部極易出現(xiàn)未焊透缺陷，在彎曲試驗(yàn)中受拉最易導(dǎo)致開裂，因此選擇背彎對(duì)焊縫彎曲強(qiáng)度進(jìn)行評(píng)價(jià)。將焊縫置于彎曲試驗(yàn)中心，保證焊縫處受拉變形最大。結(jié)果表明，焊縫受拉面變形均勻，焊縫中心和焊縫邊界熱影響區(qū)均未出現(xiàn)裂紋，所有樣品均合格，焊接質(zhì)量好，彎曲性能滿足要求，兩種焊接方式均可得到彎曲性能較好的焊接接頭。

圖5 不同形式焊接接頭拉伸樣品

圖6 焊接接頭拉伸斷口SEM照片

3 結(jié)論

（1）氬弧焊和激光焊獲得的焊縫成形良好，經(jīng)過(guò)高標(biāo)準(zhǔn)核級(jí)滲透檢測(cè)未發(fā)現(xiàn)大于1.5 mm的缺陷，滿足ASME核電使役標(biāo)準(zhǔn)，無(wú)咬邊和裂紋等缺陷；射線檢測(cè)結(jié)果表明所有樣品均無(wú)焊接缺陷，但激光焊縫比氬弧焊縫更窄，且均勻性更好。

圖7 不同形式焊接接頭拉伸斷口XRD圖譜

圖8 彎曲試驗(yàn)后典型樣件

圖9 彎曲實(shí)驗(yàn)后典型樣件受拉面

（2）氬弧焊和激光焊拉伸樣件均斷裂于遠(yuǎn)離焊縫的母材區(qū)，因?yàn)閮煞N焊縫區(qū)均存在正余高，所以焊縫處承受的等效應(yīng)力小于母材區(qū)承受的實(shí)際應(yīng)力；激光焊接接頭抗拉強(qiáng)度為651.31 MPa，氬弧焊接接頭抗拉強(qiáng)度為684.40 MPa，兩種焊接接頭拉伸斷口形態(tài)存在明顯的等軸韌窩，分布均勻且大小一致，無(wú)明顯顆粒狀脆性相存在；XRD相分析顯示斷口均為奧氏體相，無(wú)二次相。彎曲實(shí)驗(yàn)中所有彎后樣件受拉的焊縫底部均未出現(xiàn)開裂，說(shuō)明兩種焊接方式均可獲得彎曲性能較好的焊接接頭。

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