異種金屬環(huán)焊接接頭裂紋分析與控制

(中國核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院反應(yīng)堆燃料及材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610041)

異種金屬環(huán)焊接接頭裂紋分析與控制

郭祥蘆麗莉王飛葉義海

(中國核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院反應(yīng)堆燃料及材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610041)

核級(jí)不銹鋼與鎳基合金異種金屬環(huán)接頭在焊接過程中發(fā)生裂紋是主要缺陷。從合金元素、打底焊工藝、焊接熱輸入、約束狀態(tài)等方面對(duì)異種金屬環(huán)接頭焊接裂紋開展成因分析與控制，通過接頭射線檢驗(yàn)、金相檢驗(yàn)、殘余應(yīng)力分析等手段對(duì)接頭開展性能評(píng)價(jià)，有效消除了不銹鋼與鎳基合金異種金屬環(huán)接頭焊接裂紋，降低了焊接接頭的殘余應(yīng)力水平。該研究結(jié)果對(duì)不銹鋼與鎳基合金異種金屬環(huán)接頭焊接裂紋的控制具有重要的參考意義和實(shí)用價(jià)值。

異種金屬環(huán)接頭裂紋殘余應(yīng)力

0 序 言

Inconel690合金是高鉻鎳基合金，具有顯著的抗氧化能力，在石油化工和核電設(shè)備領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。0Cr18Ni10Ti奧氏體不銹鋼具有耐高溫、耐腐蝕、耐輻射以及較好的高溫強(qiáng)度和焊接性能等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于航空、航天、核能裝置等領(lǐng)域[1]。文中研究了0Cr18Ni10Ti不銹鋼與Inconel690鎳基合金組成的異種金屬環(huán)形端接接頭，Inconel690材料本身具有較好的焊接性，但是與不銹鋼材料組成異種焊接接頭并采用鎳基合金焊材焊接時(shí)，接頭中易產(chǎn)生裂紋和微裂紋。環(huán)形端接接頭的特殊結(jié)構(gòu)決定了接頭的拘束條件苛刻，焊接應(yīng)力不易得到有效釋放，易導(dǎo)致焊接產(chǎn)生的軸向、周向和徑向應(yīng)力集中，導(dǎo)致焊接裂紋的產(chǎn)生。目前國內(nèi)對(duì)于不銹鋼與鎳基合金異種金屬環(huán)接頭的研究甚少，對(duì)于其焊接裂紋分析與控制尚無支撐性文獻(xiàn)和數(shù)據(jù)可參考。該研究分別從合金元素、手工打底焊工藝、焊接熱輸入、約束狀態(tài)等方面開展異種金屬環(huán)接頭焊接裂紋分析與控制研究，有效消除了焊接裂紋，改善了焊接接頭殘余應(yīng)力水平。研究結(jié)果對(duì)不銹鋼與鎳基合金異種金屬環(huán)接頭焊接裂紋的控制具有重要的參考意義和實(shí)用價(jià)值。

1 試驗(yàn)研究方案

文中研究的不銹鋼試件采用核級(jí)奧氏體不銹鋼0Cr18Ni10Ti鍛件加工；鎳基合金試件采用Inconel690鎳基合金鍛件加工；填充材料為φ1.0 mm的ERNiCrFe-7A鎳基合金焊絲。試件由不銹鋼環(huán)型模擬件(內(nèi)環(huán))和鎳基合金環(huán)型模擬件(外環(huán))配對(duì)組裝構(gòu)成，如圖1所示，接頭中心直徑約為φ250 mm，坡口角度為20°，坡口深度約為30 mm，試件厚度為40 mm。

圖1 不銹鋼與鎳基合金環(huán)接頭坡口示意圖

采用手工打底焊接第一層，隨后用自動(dòng)填絲焊的方式進(jìn)行焊接，打底焊采用手工氬弧焊設(shè)備，自動(dòng)填絲焊采用自動(dòng)填絲氬弧焊電源和專用焊接機(jī)頭進(jìn)行焊接，焊接位置為全位置焊，電極為φ3.2 mm的鈰鎢極。焊道層間溫度控制在100 ℃以內(nèi)，同時(shí)分別采用水冷和氣冷對(duì)設(shè)備和工件進(jìn)行保護(hù)，填充至完工接頭約需32層、120道左右。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 合金元素對(duì)接頭裂紋影響

Inconel690系統(tǒng)的鎳基合金，含碳量低，鉻含量高，材料本身可以達(dá)到較好的焊接性，但是與不銹鋼材料組成異種焊接接頭并采用鎳基合金焊材焊接時(shí)，接頭

中易產(chǎn)生裂紋和微裂紋(熱裂紋)，其最敏感的是結(jié)晶裂紋。母材的Nb元素結(jié)合Ni元素形成低熔共晶的傾向較大，這將導(dǎo)致結(jié)晶裂紋敏感性增大；Mn優(yōu)先于S結(jié)合形成MnS增加固液相表面能，抑制S形成低熔共晶傾向；Al和Ti元素都有利于鎳基耐蝕材料的抗結(jié)晶開裂性能；雜質(zhì)元素S,P,Si的存在將顯著增加鎳基接頭金屬的結(jié)晶開裂傾向[2]。

為了獲得各項(xiàng)性能優(yōu)良的接頭，焊接材料的選擇至關(guān)重要。目前得到國際公認(rèn)并廣泛使用的ERNiCrFe-7A鎳基合金焊絲加入了Ti,AI,Nb等元素，其中Ti和Al是強(qiáng)烈的脫氧劑，均能提高液相的結(jié)晶溫度和流動(dòng)性，可縮小結(jié)晶溫度區(qū)間，并可細(xì)化晶粒，打亂接頭的樹枝狀晶體大方向性，強(qiáng)化固溶體，改善晶界的抗裂性。

采用ERNiCrFe-7A鎳基合金焊絲在試件上進(jìn)行焊接，焊后取接頭正中熔敷金屬進(jìn)行了化學(xué)成分分析，分析結(jié)果見表1。從表1可見，雜質(zhì)元素S,P,Si的含量較低，有效的降低了接頭金屬結(jié)晶開裂的傾向，表明采用ERNiCrFe-7A鎳基合金焊絲焊接Inconel690鎳基合金與不銹鋼接頭是可行的。

2.2 手工打底焊裂紋控制

由于該接頭為不銹鋼與鎳基合金異種金屬焊接，焊接性較差，對(duì)焊接裂紋比較敏感。在手工打底焊接工藝研究過程中，裂紋為該接頭的主要缺陷。裂紋在宏觀上表現(xiàn)為接頭表面開裂和根部開裂，微觀上表現(xiàn)為填充層出現(xiàn)裂紋。

為消除手工打底焊時(shí)產(chǎn)生的裂紋，進(jìn)行1層1道手工打底焊，完成了不同焊接速度及填絲量的對(duì)比研究。共設(shè)計(jì)了6組不同試樣，分別是不填絲打底以及填絲厚度分別為0.2～0.4 mm,0.5～1.0 mm,1.2～1.5 mm,1.6～2.0 mm,2.0～2.5 mm。對(duì)6組試樣接頭質(zhì)量采用外觀、射線、金相檢驗(yàn)進(jìn)行評(píng)價(jià)，檢驗(yàn)結(jié)果見表2。

表1 熔敷金屬化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

表2 手工打底焊試驗(yàn)參數(shù)及檢驗(yàn)結(jié)果

從表2可見，填充厚度在2.0 mm以內(nèi)均能確保根部焊透。當(dāng)填充厚度低于0.5 mm時(shí)，接頭容易出現(xiàn)裂紋，如圖2a所示；高于1.5 mm后接頭容易出現(xiàn)微觀裂紋、氣孔、夾渣甚至未焊透現(xiàn)象；當(dāng)填充厚度在0.5～1.5 mm范圍時(shí)，接頭未見缺陷。

當(dāng)填充厚度小于0.5 mm時(shí)，接頭強(qiáng)度不足以抵抗接頭收縮應(yīng)力和結(jié)構(gòu)應(yīng)力，導(dǎo)致接頭容易被拉裂；填充厚度高于1.5 mm后，雖然接頭強(qiáng)度足以抵抗應(yīng)力的作用，但是填充金屬越多，接頭易未充分熔合，微觀裂紋概率增大，如圖2b所示，且雜質(zhì)和氣體越不容易從熔池中逸出，容易形成夾雜、氣孔甚至未焊透。該試驗(yàn)結(jié)果表明，打底焊填充厚度控制在0.5～1.5 mm范圍內(nèi)最適合，既能確保接頭的強(qiáng)度滿足要求，又能避免產(chǎn)生焊接裂紋等缺陷。

2.3 填絲焊根部裂紋控制

采用多層多道焊方式進(jìn)行不銹鋼與鎳基合金環(huán)接頭的填絲焊接研究。前期試驗(yàn)結(jié)果表明，焊后試件變形較大，坡口上沿接頭兩側(cè)母材受壓應(yīng)力收縮變形，焊后坡口寬度減小約7 mm；接頭根部熔敷金屬由于根部的收縮變形被擠壓，根部形成溝槽甚至裂紋，如圖3所示，易導(dǎo)致應(yīng)力集中，影響接頭的力學(xué)性能。根部裂紋在接頭內(nèi)側(cè)(即不銹鋼一側(cè))更為明顯，主要是由于焊絲為鎳基合金焊絲，其熱膨脹系數(shù)與鎳基合金一側(cè)母材基本相同，而不銹鋼熱膨脹系數(shù)大于鎳基合金，同時(shí)強(qiáng)度低于鎳基合金，在焊接反復(fù)的加熱和冷卻過程中造成不銹鋼與鎳基合金熔敷金屬根部熔合線區(qū)域塑性變形，形成溝槽甚至根部裂紋。

圖2 不銹鋼與鎳基合金手工打底焊接頭宏、微觀裂紋

2.3.1 減小焊接熱輸入

消除溝槽及裂紋需減小焊接變形，通過控制焊接工藝參數(shù)，在保證焊接質(zhì)量的前提下，減小焊接熱輸入，可以有效減小焊接變形[3]。對(duì)自動(dòng)填絲焊工藝進(jìn)行進(jìn)一步焊接研究，由于TIG焊熱輸入q=ξUI/w(其中,ξ為定量系數(shù);U為焊接電壓;I為焊接電流;w為旋轉(zhuǎn)速度)，該研究使用的氬弧焊電源啟用了自動(dòng)弧長跟蹤功能，脈沖電流和電壓呈對(duì)應(yīng)關(guān)系，主要調(diào)節(jié)焊接電流和旋轉(zhuǎn)速度控制熱輸入。采用脈沖電流焊接時(shí)，基值電流起穩(wěn)定電弧作用，對(duì)于熱輸入的改變意義不大。峰值電流熔化焊絲，針對(duì)熔覆金屬延展性較差的鎳基合金焊絲需足夠大的峰值電流以確保熔覆金屬充分鋪展。因此在研究過程中主要考慮通過增加旋轉(zhuǎn)速度控制焊接熱輸入。

研究結(jié)果表明，在保證峰、基值電流及峰、基值時(shí)間不變的情況下，將旋轉(zhuǎn)速度從150 mm/min(熱輸入18 J/mm)組件增加到225 mm/min(熱輸入9.8 J/mm)并填充至完工接頭，焊后坡口變形有明顯的改善，如圖4所示。當(dāng)旋轉(zhuǎn)速度大于210 mm/min后，單道焊道在熔融時(shí)未充分鋪展，寬度明顯收窄，接頭成形較差，需不斷對(duì)焊道進(jìn)行打磨處理。采用旋轉(zhuǎn)速度為210 mm/min的工藝焊接，焊后試件變形減小，坡口上沿寬度減小約5.2 mm，接頭根部溝槽和裂紋現(xiàn)象有所緩解，但未完全解決。

圖3 接頭根部金相照片

2.3.2 改善試件約束

經(jīng)進(jìn)一步分析，環(huán)形試件雖在坡口尺寸和焊接工藝參數(shù)上模擬了實(shí)際焊接工況，但其僅靠螺栓與工裝進(jìn)行約束，自由度較大，難以實(shí)現(xiàn)多層多道異種金屬環(huán)接頭焊接變形的控制，可調(diào)整試件約束狀態(tài)以控制焊接變形[4]。為改善焊接時(shí)的約束情況，重新對(duì)試件約束工況進(jìn)行設(shè)計(jì)，在焊前將點(diǎn)焊好的不銹鋼與鎳基合金試件在內(nèi)圈和外圈分別焊接固定板以改善約束效果，約束狀態(tài)示意圖如圖5所示。在該約束狀態(tài)下進(jìn)行焊接，接頭成形、保護(hù)均滿足要求，焊后試件變形大大減小，焊后坡口上沿寬度減小約4 mm，接頭根部過渡平滑，溝槽現(xiàn)象消失，如圖6所示。

圖4 旋轉(zhuǎn)速度對(duì)焊接變形的影響

圖5 改善約束條件示意圖

圖6 焊后根部接頭金相照片

2.4 接頭質(zhì)量檢驗(yàn)

采用改善后的焊接參數(shù)和約束條件對(duì)不銹鋼和鎳基合金環(huán)接頭試件進(jìn)行焊接，最終接頭各項(xiàng)無損檢驗(yàn)和破壞性檢驗(yàn)結(jié)果全部合格，未發(fā)現(xiàn)宏觀裂紋和微觀裂紋。

為進(jìn)一步檢測(cè)焊接裂紋控制效果，對(duì)工藝改善前后的完工焊接接頭殘余應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)。分別在鎳基合金母材、不銹鋼母材及接頭區(qū)域選取測(cè)試點(diǎn)，測(cè)試其徑向殘余應(yīng)力和周向殘余應(yīng)力[5]。測(cè)試點(diǎn)分布如圖7所示，殘余應(yīng)力測(cè)試結(jié)果如圖8所示。可以看出，通過減小熱輸入和改善試件約束狀態(tài)，焊接接頭殘余應(yīng)力水平有較大幅度改善，殘余應(yīng)力水平平均減小約37.97%。

圖7 測(cè)試點(diǎn)分布

圖8 不同約束狀態(tài)焊接殘余應(yīng)力分布

3 結(jié) 論

(1)采用ERNiCrFe-7A鎳基合金焊絲能夠有效控制Inconel 690鎳基合金與0Cr18Ni10Ti不銹鋼的焊接裂紋。

(2)通過控制焊接熱輸入和改善約束條件，有效消除了不銹鋼與鎳基合金異種金屬焊接裂紋，焊接變形由7 mm降低至5.2 mm，最大縱向殘余應(yīng)力由560 MPa降低至450 MPa。

(3)該工藝研究結(jié)果對(duì)不銹鋼與鎳基合金異種金屬環(huán)接頭焊接裂紋的控制具有重要的參考意義和實(shí)用價(jià)值。

[1] 周光河. 14Cr1MoR+0Cr18Ni10Ti復(fù)合鋼板的焊接[J]. 焊接，2013(3)：165-166.

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2017-02-17

TG407

郭 祥，1986年出生，碩士，助理研究員。主要從事核級(jí)特種焊接方面的研究，已發(fā)表論文2篇。