基于DIC技術獲取焊接接頭單軸拉伸力學性能

向文欣，祁爽,,，王永剛，寧方卯，祁磊，薛飛，蔡力勛，余偉煒，梅金娜，師金華

（1.臺山核電合營有限公司，廣東 江門 529200；2.西南交通大學，成都 610031；3.蘇州熱工研究院有限公司，江蘇 蘇州 215008）

我國在役和在建的核電站以壓水堆型為主，反應堆建造過程中，各種關鍵結構（如蒸汽發(fā)生器、反應堆壓力容器等）廣泛采用焊接接頭進行連接。鎳基合金（如182、82、52合金等）及奧氏體不銹鋼（如308L、309L等）由于其良好的耐高溫腐蝕、較好的高溫力學性能和可焊性等，而被用作主要的焊接用合金材料。根據(jù)焊接合金材料及其所連接基體材料的不同，分為同種金屬焊接接頭與異種金屬焊接接頭（Dissimilar metal weld joint, DMWJ）。核島內(nèi)的大型承壓設備（如蒸汽發(fā)生器、反應堆壓力容器等），由于出口接管材料為具有不銹鋼覆層的低合金鋼，一回路主管道材料為奧氏體不銹鋼，因而在焊接接頭中存在鎳基合金焊材/不銹鋼與鎳基合金焊材/低合金鋼異種金屬焊接結構，以及不銹鋼焊材/低合金鋼DMW結構與不銹鋼焊材/不銹鋼同種金屬焊接結構。DMWJ制造工藝復雜，制造難度大，材料在焊接時可能產(chǎn)生氣孔、裂紋、未熔合等缺陷，且長期服役在高溫、高壓水腐蝕環(huán)境中，由于焊接殘余應力的存在，服役過程中設備易產(chǎn)生缺陷。若DMWJ失效，將對核電站的安全運行將造成不可估量的損失。自20世紀90年代在DMW接頭內(nèi)發(fā)現(xiàn)裂紋起，各國科研人員即將其列為影響設備安全的重要問題，開展大量研究，并在核電設備安全評估規(guī)范中對其進行評估，以確定其是否能夠繼續(xù)安全使用。由于安全端與等直徑的主管道不同，其在管嘴處的厚度和半徑均發(fā)生幾何變化，且異種金屬焊接接頭的母材是由兩種不同材料構成，屈服性能差異大。焊接接頭包含母材、熱影響區(qū)、焊縫等，其組織結構存在材料性能不均勻性、力學性能不均勻性、由焊接缺陷引起的焊接裂紋和幾何結構不連續(xù)性，給直接利用各種材料的出廠數(shù)據(jù)預測實際結構中的裂紋擴展歷程帶來困難。因此，獲取DMWJ的局部力學性能對核安全尤為重要，其中DMWJ局部應變測量是獲取其局部力學性能的難題。在力學測試領域，常用的應變測量方法在測量方式上可分接觸式測量與非接觸式測量。其中，接觸式測量又稱機械測量，即利用傳感器彈性元件接觸被測物體表面，以獲取其坐標數(shù)據(jù)的測量方法，采用常規(guī)電阻應變式的位移或應變引伸計。該技術十分成熟，已廣泛應用于工程測量中。非接觸式測量則包括激光測量、電容測量和數(shù)字圖像相關（Digital image correlation, DIC）測量等多種方法。其中，DIC技術具有“非接觸”與表面“全場”位移信息的特點，是目前工程界應用中最有發(fā)展前途的3D數(shù)據(jù)采集方法。

精確的材料力學性能表征有助于理解DMWJ復雜的局部損傷斷裂行為，同時與局部組織相關的力學性能是結構完整性分析的基本輸入?yún)?shù)。因此，國內(nèi)外學者對DMWJ的力學性能表征進行了研究。Jang等對材料為SA508-Alloy82/182-TP316的DMWJ進行了力學表征，通過微拉伸、硬度及斷裂試驗發(fā)現(xiàn)，DMWJ在寬度和厚度方向上力學性能不均勻。Blouin指出，做力學表征試驗，通常要耗費大量的材料，這些材料通常難以得到或者比較昂貴。Blouin、Ancelet等從DMWJ的各個位置（母材、熱影響區(qū)、焊縫等）取出一些小拉伸試樣，發(fā)展了一種采用激光感應器和特定形狀試樣的方法，用于確定焊接接頭局部區(qū)域的應力-應變曲線。NESC-III的VTT從多種焊接接頭局部位置加工了小尺寸平板試樣，得到了DMW接頭的局部拉伸力學性能。綜上所述，對于DMWJ材料力學性能表征主要集中在早期的核電材料和結構，對于新一代EPR機組DMWJ材料和結構的力學性能還缺乏系統(tǒng)的研究。

文中以壓水堆核電機組蒸汽發(fā)生器一次側管嘴與安全端DMWJ為研究對象，采用等直圓棒拉伸試樣（Round-bar-tensile-specimens, RBTS），獲得蒸汽發(fā)生器接管材料20MND 5的單軸拉伸應力-應變關系，以驗證基于DIC技術獲取DMWJ平板拉伸試樣（Flat-tensile-specimens, FTS）單軸拉伸力學性能的正確性和精確性。為我國三代壓水堆核電站DMWJ的設計、安全評定及壽命管理提供了更為精確的輸入數(shù)據(jù)。

1 研究條件

1.1 材料與試樣

壓水堆核電機組蒸汽發(fā)生器一次側接管和安全端的材料分別為20MND 5低合金鋼和Z2 CND 18.12氮控奧氏體不銹鋼。以INCONEL 52為焊料，采用全自動窄間隙鎢極氬弧焊制備了DMWJ。焊縫的寬度為9.5~11 mm，DMWJ的厚度約為97 mm。蒸汽發(fā)生器一次側接管的內(nèi)表面為8 mm厚的308L/309L不銹鋼堆焊層。

蒸汽發(fā)生器接管母材20MND 5的RBTS的尺寸如圖1a所示，其等直段直徑和長度分別為6 mm和30 mm，共2個試樣。DMWJ的FTS的尺寸如圖1b所示，焊縫位于試樣中心，其等直段寬度為8 mm，厚度為1 mm，長度為30 mm，共3個試樣。

圖1 構型尺寸Fig.1 The dimensions of configuration

1.2 設備與試驗

RBTS單軸拉伸試驗設備為MTS Landmark 370.50（500 kN）電液伺服材料試驗機，控制系統(tǒng)為TestStar II。采用標距為20 mm、量程為–10%~20%的應變引伸計MTS634.31F-21測量RBST標距段的應變，試驗設備精度為0.5。試驗過程中采用位移控制。FTS拉伸試驗設備為SHIMADZU AG-IS（30 kN）材料試驗機。采用標距為25 mm、量程為–10%~25%的應變引伸計3542-025M-025-ST測量FTS標距段的應變，精度為0.5。試驗過程中采用位移控制。同時，采用德國GOM公司4 M三維光學動態(tài)全場應變測試系統(tǒng)ARAMIS，測量FTS表面應變，可實現(xiàn)與拉伸試驗設備同步數(shù)據(jù)采集。

試驗前，根據(jù)需要測量的視野大小，選用的標定板尺寸為55 mm×44 mm，并對鏡頭間距、通光量等進行調(diào)節(jié)，然后對設備進行標定。標定板及FTS試驗測試現(xiàn)場如圖2所示。用白色啞光漆噴涂在FTS表面，待其自然風干，再用墨水噴槍在試樣表面制作出大小均勻、形狀不一、可識別的散斑，如圖3所示。在試驗開始前，先在軟件中進行拍照分析，確認變形可識別后，再開始試驗。

圖2 標定板及FTS試驗測試現(xiàn)場Fig.2 The site of calibration plate and the FTS test

圖3 制作散斑后的FTSFig.3 The FTS after making speckles

2 結果及分析

20MND 5和DMWJ的單軸拉伸應力-應變曲線如圖4所示。由圖4可知，通過2個RBTS獲得的低合金鋼20MND5的應力-應變曲線基本重合，通過3個FTS獲得的DMWJ的應力-應變曲線較為接近，故母材及焊縫材料的分散性較小。單軸拉伸結果見表1。

表1 20MND 5和DMWJ的單軸拉伸結果Tab.1 The tensile testing results of 20MND 5 and DMWJ

圖4 單軸拉伸應力-應變曲線Fig.4 The tension stress-strain curves

通過引伸計測量標距段內(nèi)的平均應變，獲得的單軸拉伸應力-應變曲線如圖5所示。與通過DIC技術測量試樣標距段表面平均應變獲得的單軸拉伸應力-應變曲線進行比對，二者基本重合，進一步驗證了DIC技術的精確性。

圖5 DMWJ的單軸拉伸應力-應變曲線Fig.5 The tension stress-strain curves of DMWJ

通過DIC技術的添加截面線功能，可獲得截面線上任意點在任意時刻的應變，然后通過數(shù)據(jù)后處理，可以獲得截面線上選定點的應變變化。通過RBTS試驗和基于DIC技術的FTS試驗，獲取的低合金鋼20MND 5母材應力-應變的關系曲線對比結果如圖6所示。由圖6可知，通過DIC技術可精確測量DMWJ局部單軸應力-應變關系，對于三代壓水堆核電站DMWJ的設計、安全評定及壽命管理具有重要意義。

圖6 RBTS試驗和FTS試驗獲取的20MND 5的應力-應變關系曲線比對結果Fig.6 The comparison results of 20MND 5 stress-strain curves obtained by RBTS tests and FTS tests

通過DIC技術獲得單軸拉伸應力-應變曲線和通過引伸計測量獲得結果相吻合，特別地，通過DIC技術可以觀測到整個拉伸試驗過程中試樣的全場應變、產(chǎn)生應力集中的部位、發(fā)生破斷的整個過程。圖7為拉伸應變?yōu)?0%、開始頸縮和臨斷時刻的FTS表面應變云圖，可以看到，試樣在焊縫位置產(chǎn)生頸縮，從而失效。

圖7 FTS表面應變云圖Fig.7 The strain cloud maps of FTS

在ARAMIS后處理軟件中，在試樣中線位置建立截面線，提取各階段截面線上各點的應變數(shù)據(jù)，通過編程處理，獲取不同應變時刻截面線上應變曲線，如圖8所示。拉伸的最初階段，試樣等直段的應變無顯著差異；但隨著拉伸位移的增加，開始在焊縫中間及焊縫熔合線附近產(chǎn)生應力集中；位移繼續(xù)增加，在焊縫位置發(fā)生頸縮，直至最終破斷。

圖8 截面線上的應變趨勢Fig.8 The strain trend of DMWJ -3# section line at different moments

3 結論

針對核電站蒸汽發(fā)生器接管與安全端異種金屬焊接接頭，采用等直圓棒拉伸試樣，獲得蒸汽發(fā)生器接管材料20MND 5的單軸拉伸應力-應變關系，基于數(shù)字圖像（Digital image correlation, DIC）相關技術，采用平板拉伸試樣獲取DMWJ單軸拉伸力學性能，母材及焊縫材料的分散性較小。采用等直圓棒拉伸試樣獲得20MND 5的單軸拉伸應力-應變關系，驗證了基于DIC技術獲取異種金屬焊接接頭單軸拉伸應力-應變曲線的正確性和精確性。

文中首次將DIC技術成功應用于壓水堆核電機組焊接接頭的應變測量，獲得了蒸汽發(fā)生器接管安全端異種金屬焊接接頭區(qū)域不同加載時刻的應變場分布云圖。可知隨著拉伸位移的增加，在焊縫中間及焊縫熔合線附近產(chǎn)生了應力集中，然后在焊縫位置發(fā)生頸縮，最終破斷。

DIC技術對該部件應變測量的成功應用，為后續(xù)在役核電設備上焊接接頭的安全評估、剩余壽命預測等提供了新的方法和途徑。