TP316H不銹鋼橫焊位激光對(duì)接技術(shù)研究

袁亮文，劉萬(wàn)存，高永光，趙 佳，張 強(qiáng)

(1.一重集團(tuán) 大連核電石化有限公司，遼寧大連 116113；2.大族激光科技產(chǎn)業(yè)集團(tuán)股份有限公司，廣東深圳 518052)

0 引言

核能已成為人類使用的重要能源，核電是電力工業(yè)的重要組成部分。核電與水電、煤電一起構(gòu)成了世界能源供應(yīng)的三大支柱，在世界能源結(jié)構(gòu)中占有重要的地位。由于核電不造成對(duì)大氣的污染排放，在人們?cè)絹?lái)越重視地球溫室效應(yīng)、氣候變化的形勢(shì)下，核電已成為世界諸多國(guó)家解決電力危機(jī)、緩解空氣污染、拉動(dòng)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的重要選擇[1-5]。

中國(guó)的第二代、第三代反應(yīng)堆是引進(jìn)法國(guó)、美國(guó)的技術(shù)，在其基礎(chǔ)上進(jìn)行消化、吸收再改進(jìn)形成自主技術(shù)，但中國(guó)的第四代核反應(yīng)堆是不折不扣的自主創(chuàng)新，它包括目前較有前途的6種四代核堆，即：3種快中子堆——鈉冷快堆(SFR)、鉛冷快堆(LFR)和氣冷快堆(GFR)，以及3種熱中子堆——超臨界水冷堆、超高溫氣冷堆(VHTR)和熔鹽堆(MSR)[6-7]。

快中子反應(yīng)堆(以下簡(jiǎn)稱“快堆”)作為第四代核反應(yīng)堆的首選堆型，可實(shí)現(xiàn)快堆與壓水堆燃料的循環(huán)使用，是未來(lái)核電發(fā)展的主導(dǎo)產(chǎn)品[8-9]。但其在制造過(guò)程中存在諸多技術(shù)難點(diǎn)，主要包括：(1)316H奧氏體不銹鋼及配套用焊接材料國(guó)內(nèi)外均無(wú)成熟產(chǎn)品可以直接供貨；(2)由于堆容器體積龐大且薄壁，結(jié)構(gòu)較試驗(yàn)快堆復(fù)雜，性能指標(biāo)及尺寸精度等要求非常高，制造難度大；(3)項(xiàng)目工期緊，需要先進(jìn)、可靠的焊接工藝方法進(jìn)行關(guān)鍵部件的焊接。文中針對(duì)快堆內(nèi)部近2 600根TP316H管件焊接需求，進(jìn)行TP316H不銹鋼橫焊位激光對(duì)接技術(shù)研究，主要包括焊接方法選擇、焊接工藝制定、試樣無(wú)損檢測(cè)與理化性能分析，為后續(xù)工程化應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1 激光對(duì)接技術(shù)

1.1 激光焊接試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)設(shè)備采用高功率激光焊接設(shè)備，機(jī)器人采用庫(kù)卡KUKA60AR，激光器采用HLW-12000，具體光學(xué)配置為：光纖芯徑為100 μm，聚焦為400 mm，準(zhǔn)直為200 mm。該高功率激光焊接設(shè)備見圖1，可以設(shè)置輸出激光功率、離焦量、焊接速度、氣體流量等焊接工藝參數(shù)，滿足TP316H橫焊位對(duì)接焊的要求。

圖1 高功率激光焊接設(shè)備Fig.1 High power laser welding equipment

1.2 焊接工藝

TP316H不銹鋼對(duì)接焊采用不開坡口、橫焊位焊接，工件裝卡在高精度轉(zhuǎn)臺(tái)上旋轉(zhuǎn)，激光焊槍保持相對(duì)靜止。為保證焊縫不被氧化，采用正面尾托氬氣保護(hù)+管內(nèi)沖氬雙重保護(hù)，使得熔池成形均勻，一次實(shí)現(xiàn)單面焊雙面成形，并保證正、反面微量余高，滿足后續(xù)工藝條件。在經(jīng)過(guò)平焊位、橫焊位平板(厚度t=8 mm)對(duì)接工藝試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，開展了橫焊位激光對(duì)接試驗(yàn)，最終獲得了焊縫成形良好的焊接試驗(yàn)件。其工藝參數(shù)見表1。

表1 TP316H激光對(duì)接焊工藝參數(shù)Tab.1 TP316H laser butt welding process parameters

2 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)材料為TP316H，尺寸為?180 mm×8 mm×100 mm。將2節(jié)同尺寸的TP316H圓管進(jìn)行橫焊位激光對(duì)接焊，焊接過(guò)程中加入與母材化學(xué)成分一致的焊絲(?1.2 mm)，焊接完成后進(jìn)行PT,UT,RT無(wú)損檢測(cè)。從焊縫區(qū)、熔合區(qū)、焊接熱影響區(qū)、母材區(qū)分別截取相關(guān)的力學(xué)試樣、金相試樣和化學(xué)試樣，其中金相組織經(jīng)打磨、拋光、腐蝕后，采用光學(xué)顯微鏡觀察微觀組織。母材及焊絲化學(xué)成分如表2所示、力學(xué)性能如表3所示[10-11]。

表2 TP316H不銹鋼化學(xué)成分Tab.2 Chemical composition table of TP316H stainless steel %

表3 TP316H不銹鋼力學(xué)性能Tab.3 Mechanical properties of TP316H stainless steel

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 焊縫成形與無(wú)損檢測(cè)

TP316H圓管對(duì)接完的正面與背面焊縫成形如圖2所示。按照NB/T 20003—2010《核電廠核島機(jī)械設(shè)備無(wú)損檢測(cè)》，正面、背面焊縫成形良好，無(wú)咬邊等缺陷。經(jīng)表面加工、打磨工序后，對(duì)焊縫進(jìn)行100%的PT，UT，RT檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果全部合格。

(a)背面成形

(b)正面成形圖2 焊縫成形示意Fig.2 Schematic diagram of weld forming

3.2 焊縫形狀尺寸

焊縫形狀的合理與否對(duì)焊接質(zhì)量產(chǎn)生很大影響，焊縫的形狀一般是指焊縫橫截面的形狀，常用焊縫熔深H、焊縫熔寬B和焊縫余高h(yuǎn)來(lái)描述。通?？梢允褂煤缚p成形系數(shù)Φ和余高系數(shù)Ψ來(lái)表征焊縫成形特點(diǎn)[12]。

Φ=B/H

(1)

Ψ=B/h

(2)

利用HJ40AC焊接檢驗(yàn)尺分別測(cè)量正面焊縫余高h(yuǎn)、背面焊縫余高h(yuǎn)1和正面焊縫熔寬B、背面焊縫熔寬B1。經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)量知：正面焊縫余高h(yuǎn)=1.0 mm，背面焊縫余高h(yuǎn)1=0.6 mm，焊縫熔深H=8 mm，正面焊縫熔寬B=6.5 mm，背面焊縫熔寬B1=4.5 mm。根據(jù)式(1)(2)計(jì)算可知，正面焊縫成形系數(shù)Φ=0.81，背面焊縫成形系數(shù)Φ1=0.56，正面余高系數(shù)Ψ=6.50，背面余高系數(shù)Ψ1=7.50。

在TP316H對(duì)接焊過(guò)程中，焊縫需要滿足單面焊雙面成形的全熔透與余高的控制條件，并在滿足全熔透的條件下，盡量選用較小的焊縫成形系數(shù)(一般0.50≤Φ≤1.00)，可以縮小焊縫寬度的無(wú)效加熱區(qū)域，進(jìn)而提高激光焊接過(guò)程中的熱效率及減小熱影響區(qū)。由式(1)(2)計(jì)算可知，焊縫成形系數(shù)Φ、余高系數(shù)Ψ均在合理控制范圍內(nèi)，同時(shí)避免了激光對(duì)接接頭內(nèi)部出現(xiàn)氣孔、夾渣及裂紋的趨勢(shì)，保證了焊接接頭質(zhì)量，焊縫橫截面如圖3所示。

圖3 焊縫橫截面Fig.3 Weld cross section

3.3 接頭組織分析

采用倒置式金相顯微鏡，按照GB/T 13298—2015《金屬顯微組織檢驗(yàn)方法》，對(duì)其焊縫橫截面區(qū)域，包括母材、焊縫金屬、熱影響區(qū)的金相組織進(jìn)行檢測(cè)，腐蝕劑選用10%草酸電解溶液[12]。母材、焊縫、熱影響區(qū)微觀組織形貌見圖4。

圖4 母材、焊縫、熱影響區(qū)微觀組織形貌Fig.4 Microstructure morphology of base metal,weld and HAZ

金相組織結(jié)果顯示：母材為奧氏體組織(見圖4(a))；焊縫為奧氏體+鐵素體組織(見圖4(b))；熱影響區(qū)為奧氏體組織(見圖4(c))。試樣均未顯微裂紋和影響接頭性能的沉淀物，滿足技術(shù)條件要求。

3.4 力學(xué)性能

3.4.1 沖擊性能

該試驗(yàn)是測(cè)定金屬材料抗缺口敏感性(韌性)的試驗(yàn)，執(zhí)行GB/T 2650—2008《焊接接頭沖擊試驗(yàn)方法》，由于試料不夠制備標(biāo)準(zhǔn)尺寸試樣，最終試樣加工尺寸為5 mm×10 mm×55 mm。采用擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行20 ℃焊接熱影響區(qū)、焊縫區(qū)、母材區(qū)的夏比擺錘沖擊試驗(yàn)。

沖擊試驗(yàn)斷口見圖5，不同區(qū)域的沖擊試驗(yàn)結(jié)果見表4。從表4、圖5可以看出，全部試樣斷口的剪切斷面率為100%，焊縫區(qū)、熱影響區(qū)、母材區(qū)韌性優(yōu)越，滿足技術(shù)條件要求的驗(yàn)收值，其中各區(qū)域最低驗(yàn)收值分別為：焊縫區(qū)的沖擊吸收能量KV2≥90 J，熱影響區(qū)的KV2≥105 J，母材區(qū)的KV2≥150 J。

圖5 沖擊試樣Fig.5 Impact test specimen

表4 沖擊性能試驗(yàn)結(jié)果Tab.4 Test results of impact properties

3.4.2 彎曲性能

彎曲試驗(yàn)主要用來(lái)檢測(cè)焊縫材料在經(jīng)受彎曲負(fù)載作用時(shí)的性能，評(píng)價(jià)焊縫金屬材料的彎曲強(qiáng)度和塑性變形的大小。按照GB/T 2653—2008《焊接接頭彎曲試驗(yàn)方法》，試樣加工尺寸為8 mm×38 mm×200 mm，數(shù)量為4個(gè)(其中2個(gè)面彎試樣，2個(gè)背彎試樣)，彎曲夾具D=4a，α=180°，支腿間距L=60 mm，試樣彎曲180°后，面彎與背彎的拉伸面上均未出現(xiàn)明顯開裂等缺陷(見圖6)。該項(xiàng)材料理化性能指標(biāo)滿足技術(shù)要求。

圖6 彎曲試樣Fig.6 Bending specimen

3.4.3 拉伸性能

按照GB/T 2651—2008《焊接接頭拉伸試驗(yàn)方法》，試樣加工成尺寸為8 mm×25 mm×200 mm 的板抗拉(或拉伸)強(qiáng)度試樣，數(shù)量為2個(gè)，如圖7所示。按照TP316H管對(duì)接工藝評(píng)定要求，需要接頭板抗拉(或拉伸)強(qiáng)度Rm≥515 MPa，從表5可以看出，滿足力學(xué)性能驗(yàn)收值。

圖7 板抗拉(或拉伸)強(qiáng)度試樣Fig.7 Plate tensile (or stretching) strength sample

表5 試樣板抗拉(或拉伸)強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果Tab.5 Tensile (or stretching) strength test results of the sample

考慮到TP316H實(shí)際的服役環(huán)境，需要測(cè)量高溫時(shí)的焊接接頭力學(xué)性能。按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 228.2—2015《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第2部分：高溫試驗(yàn)方法》，分別進(jìn)行350,400,450,550,650 ℃的高溫棒抗拉(或拉伸)強(qiáng)度試驗(yàn)，每個(gè)溫度下試樣1個(gè)，共5個(gè)試樣。圖8示出高溫棒抗拉(或拉伸)強(qiáng)度試樣，可以看出斷裂位置均出現(xiàn)在焊縫。

圖8 高溫棒抗拉(或拉伸)強(qiáng)度試樣Fig.8 High temperature bar tensile (or stretching)

按照TP316H管對(duì)接工藝評(píng)定要求，需要達(dá)到高溫(650 ℃)棒抗拉(或拉伸)強(qiáng)度Rm≥313 MPa，Rp0.2≥110 MPa 的標(biāo)準(zhǔn)。結(jié)合表6各個(gè)溫度下試樣棒抗拉(或拉伸)強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果，所有溫度下的屈服強(qiáng)度Rp0.2、抗拉強(qiáng)度Rm、斷后伸長(zhǎng)率以及斷面收縮率均在技術(shù)要求的驗(yàn)收范圍內(nèi)。

表6 試樣高溫棒抗拉(或拉伸)強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果Tab.6 Tensile (or stretching) strength test results of sample bar at high temperature

3.5 宏觀硬度

按照GB/T 2654—2008《焊接接頭硬度試驗(yàn)方法》，取8 mm×10 mm×100 mm試樣，試驗(yàn)載荷F=98 N，施加時(shí)間TA=8 s，保持時(shí)間TF=10 s，分4個(gè)區(qū)域進(jìn)行焊接接頭硬度分布曲線測(cè)定。4個(gè)區(qū)域分別為接頭橫截面上表層(1#，距母材上表面2 mm處)、中層(2#，在焊縫T/2處)、底層(3#，距母材下表面2 mm處)和縱向焊縫中心區(qū)(4#)，如圖9所示。從焊縫上表面至焊縫下表面，每隔1 mm測(cè)一個(gè)點(diǎn)；1#～3#橫向進(jìn)行，每隔0.5 mm測(cè)一個(gè)點(diǎn)，包括焊縫、熔合線、熱影響區(qū)、母材區(qū)域，母材上測(cè)量5個(gè)點(diǎn)。

圖9 硬度分布曲線檢測(cè)區(qū)域Fig.9 Hardness distribution curve detection area

焊接接頭焊縫中心區(qū)(4#)硬度分布曲線如圖10所示，接頭橫截面上表層(1#)、中層(2#)、底層(3#)硬度分布結(jié)果如表7所示。從圖10可以看出，焊縫上表層硬度低于焊縫背面硬度10.5%，焊縫中部硬度也低于背面，其主要原因可能與焊接散熱時(shí)熱傳遞的不同有關(guān)[13-14]?？偠灾?，從圖10、表7可知，焊接接頭4個(gè)區(qū)域的硬度變化不大，除焊縫組織為奧氏體+鐵素體，其余各區(qū)域均為奧氏體組織，使得硬度基本保持在168HV10～175HV10之間，各區(qū)域硬度均≤200HV，宏觀硬度值都滿足技術(shù)條件。

圖10 焊縫中心區(qū)(4#)硬度分布曲線Fig.10 Weld center (4#) hardness distribution curve

表7 焊接接頭區(qū)域1#,2#,3#硬度值(HV10)Tab.7 Hardness values (HV10) of 1#,2# and 3# of welded joint area

4 結(jié)論

(1)針對(duì)第四代快中子反應(yīng)堆中近2 600根TP316H不銹鋼管件焊接需求，采用不開坡口、橫焊位激光添絲焊接，熔池成形均勻，一次實(shí)現(xiàn)單面焊雙面成形，并保證正、反面余高在控制范圍內(nèi)。

(2)對(duì)焊縫形狀尺寸進(jìn)行了測(cè)量、計(jì)算與分析，在滿足全熔透的條件下，盡量選擇較小的焊縫成形系數(shù)(一般0.50≤Φ≤1.00)，可以縮小焊縫寬度的無(wú)效加熱區(qū)域，進(jìn)而提高激光焊接過(guò)程中的熱效率，焊接熱影響區(qū)減小。

(3)對(duì)焊接完成的試樣進(jìn)行了無(wú)損檢測(cè)與理化性能試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，焊接接頭板抗拉(或拉伸)強(qiáng)度Rm、高溫(650 ℃)棒抗拉(或拉伸)強(qiáng)度Rm、沖擊吸收能量等參數(shù)都滿足產(chǎn)品技術(shù)條件要求，對(duì)高能束焊接方法在核電壓力容器上的應(yīng)用提供試驗(yàn)基礎(chǔ)。