馬氏體不銹鋼堆焊鎳基合金工藝開發(fā)

江國(guó)焱　何冰　劉遠(yuǎn)彬　孫國(guó)輝　王育忠

摘要：由中國(guó)廣核集團(tuán)自主研發(fā)的ACPR50S實(shí)驗(yàn)堆設(shè)備，采用在馬氏體不銹鋼導(dǎo)流環(huán)腔本體的上下端面堆焊鎳基690合金，來(lái)滿足進(jìn)一步焊接免除熱處理的需要。在成功開發(fā)自動(dòng)TIG前送絲堆焊工藝的同時(shí)，通過(guò)焊接模擬分析手段進(jìn)行了研究分析，優(yōu)化了后送絲自動(dòng)TIG堆焊工藝，解決了后送絲焊工藝的焊接裂紋問(wèn)題，最終，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品導(dǎo)流環(huán)腔全部堆焊焊縫無(wú)損檢驗(yàn)一次合格。

關(guān)鍵詞：馬氏體不銹鋼;鎳基690合金;前送絲;后送絲;焊接模擬

中圖分類號(hào)：TG457.11 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1001-2303（2020）12-0048-06

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.12.11

0 前言

小型核反應(yīng)堆因其靈活和用途廣泛的特點(diǎn)，受到重視[1]。由中廣核集團(tuán)自主研發(fā)的ACPR50S實(shí)驗(yàn)堆系列設(shè)備中，為了解決導(dǎo)流環(huán)腔本體與密封件焊縫熱處理問(wèn)題，設(shè)計(jì)了SA-182 F6NM低碳馬氏體不銹鋼鍛件上堆焊鎳基隔離層的接頭形式。

低碳馬氏體焊接時(shí)具有冷裂紋傾向[2]，并會(huì)產(chǎn)生較大的焊接殘余應(yīng)力，一般采用較大的焊接熱輸入，使焊接熱影響區(qū)慢速冷卻，以保證其力學(xué)性能。鎳基690合金則具有較大的熱裂紋敏感性，一般采用較小的焊接熱輸入，使熔敷金屬能獲得較快的冷卻速度，以避免焊接熱裂紋的產(chǎn)生。因此文中采用熱輸入易于控制的TIG焊工藝[3]，使用適當(dāng)?shù)暮附訁?shù)，實(shí)現(xiàn)了SA-182 F6NM材料上堆焊鎳基690合金在核反應(yīng)堆設(shè)備上的首次應(yīng)用。

采用前送絲焊和后送絲焊的方式焊接，對(duì)堆焊質(zhì)量有很大影響。在前送絲焊工藝開發(fā)成功后，因受焊接設(shè)備功能局限性的影響，使用相同焊接電參數(shù)的后送絲堆焊，堆焊后產(chǎn)生了大量的焊縫和熔合區(qū)焊接未熔合和焊接裂紋。

為了解決后送絲的堆焊質(zhì)量問(wèn)題，采用焊接數(shù)字模擬技術(shù)，對(duì)兩種工藝的溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)以及馬氏體相變情況進(jìn)行定量分析。根據(jù)分析結(jié)果，優(yōu)化了后送絲TIG堆焊工藝，并將其成功應(yīng)用于產(chǎn)品的焊接，獲得了良好的成果和有益的經(jīng)驗(yàn)。該研究成果對(duì)于類似產(chǎn)品焊接具有指導(dǎo)性意義，對(duì)于同行業(yè)焊接工藝研究和優(yōu)化具有一定的參考價(jià)值。

1 技術(shù)分析

1.1 母材

SA-182 F6NM為ASME標(biāo)準(zhǔn)馬氏體不銹鋼，具有冷裂傾向。馬氏體不銹鋼焊接過(guò)程中一般采用預(yù)熱和較大的焊接熱輸入來(lái)降低焊縫及熱影響區(qū)的冷卻速度，防止產(chǎn)生冷裂紋[4]。材料的化學(xué)成分如表1所示。

1.2 焊材

堆焊焊絲ERNiCrFe-7A為ASME標(biāo)準(zhǔn)焊絲。該焊材所堆敷的熔敷金屬或焊縫金屬具有優(yōu)異的耐腐蝕性能和良好的高溫力學(xué)性能，在壓水堆核電站設(shè)備中得到了廣泛應(yīng)用[5]。但是該焊材焊接時(shí)易產(chǎn)生熱裂紋[6]，因此焊接過(guò)程中要通過(guò)采用小電流快速焊控制焊縫高溫停留時(shí)間。其化學(xué)成分見表2。

1.3 不同送絲方位對(duì)焊縫質(zhì)量的影響

1.3.1 前送絲焊

TIG焊時(shí)，填充送絲端部位于電極前進(jìn)方向的前方稱為前送絲焊，如圖2a所示。此時(shí)，電弧能量同時(shí)作用于焊絲和母材，熔深較淺;焊絲熔化于前端電弧，進(jìn)入熔池后，又經(jīng)歷了后端電弧的加熱，相比于后送絲焊，焊縫在高溫停留時(shí)間更長(zhǎng)一些，焊縫經(jīng)歷了電弧前端和后端的兩次連續(xù)加熱，焊后的冷卻速度較慢，有利于熔合區(qū)低硬度回火馬氏體的形成，但會(huì)增大鎳基焊縫的熱裂紋傾向。因?yàn)榻?jīng)歷了兩次連續(xù)加熱，可以通過(guò)提高焊接速度，同時(shí)增大送絲速度的方式達(dá)到縮短焊縫金屬的高溫停留時(shí)間、避免熱裂紋發(fā)生的目的。

1.3.2 后送絲焊

TIG焊時(shí)，填充送絲填入位置位于電極前進(jìn)方向的后方稱為后送絲焊，如圖2b所示。后送絲的電弧能量主要用于母材的熔化而致焊接熔池較深，與前送絲相比，母材會(huì)形成更多的未回火馬氏體組織，這對(duì)于冷裂紋的控制是不利的。同時(shí)，焊絲熔化進(jìn)入熔池后僅經(jīng)歷后端電弧的加熱，焊縫在高溫加熱的停留時(shí)間更短一些，熔池的液態(tài)金屬的存在時(shí)間更短，焊后的冷卻速度較快，且未經(jīng)歷充分?jǐn)嚢?，可獲得稀釋率較低的堆焊焊縫，但易產(chǎn)生未熔合缺陷。因此，與前送絲相比，后送絲焊應(yīng)選用更小的焊接電流和更低的送絲速度來(lái)保證焊縫的熔合良好和獲得恰當(dāng)?shù)暮缚p深寬比的同時(shí)，避免冷裂紋的產(chǎn)生。

1.3.3 保護(hù)氣路的影響

不同數(shù)量保護(hù)氣路對(duì)焊接過(guò)程的影響不同，氣路越少，焊接過(guò)程中氣體保護(hù)效果越差，影響堆焊的質(zhì)量和效率。文中研究的前送絲焊為多路保護(hù)氣，后送絲焊為單路保護(hù)氣。焊接氣體保護(hù)效果與焊接效率有很大關(guān)系，前送絲由于使用了多氣路保護(hù)，可以獲得更好的保護(hù)效果，因此焊接過(guò)程中可以設(shè)置較寬的擺動(dòng)幅度，以獲得高效率的堆焊工藝。后送絲由于僅能實(shí)現(xiàn)單路氣保護(hù)，因此擺動(dòng)寬度應(yīng)設(shè)置得較窄，堆焊工藝效率較低。在建模過(guò)程中，考慮到不同數(shù)量保護(hù)氣路的差異，對(duì)于不同數(shù)量保護(hù)氣路的焊縫設(shè)置了不同的尺寸，并根據(jù)實(shí)際焊縫成型進(jìn)行了修正。

1.3.4 焊接參數(shù)優(yōu)化設(shè)置

以前送絲焊參數(shù)為參照，根據(jù)前送絲焊和后送絲焊的特點(diǎn)以及氣體保護(hù)情況調(diào)節(jié)焊接參數(shù)，最終目的是在保證焊縫熔合良好的情況下，后送絲焊的焊接熱輸入相近且不大于前送絲焊工藝的焊接熱輸入，既可以滿足冷卻過(guò)程的冷卻速度適宜且焊縫不至于過(guò)熱產(chǎn)生熱裂紋。參數(shù)優(yōu)化：降低后送絲焊焊接速度保證焊縫熔合;減小后送絲擺動(dòng)幅度，增強(qiáng)氣體保護(hù)效果;降低后送絲焊送絲速度以匹配較低擺動(dòng)參數(shù)，同時(shí)保證焊縫熔合;增加后送絲結(jié)構(gòu)焊機(jī)預(yù)熱溫度到200 ℃，避免冷裂紋。焊接參數(shù)優(yōu)化設(shè)置如表3所示。

2 焊接模擬分析

采用Sysweld軟件進(jìn)行焊接過(guò)程模擬分析，對(duì)比兩種工藝參數(shù)下的焊接溫度場(chǎng)、應(yīng)力（產(chǎn)生冷裂紋的關(guān)鍵影響因素）以及焊接后熔合區(qū)的馬氏體和殘余奧氏體的含量，以驗(yàn)證和完善優(yōu)化的后送絲工藝。

模型采用平板單道堆焊結(jié)構(gòu)，焊接參數(shù)見表3，對(duì)于馬氏體基材考慮了相變影響。采用非均勻網(wǎng)格劃分的方式，從焊縫到非焊接區(qū)域網(wǎng)格逐步過(guò)渡[7]。

對(duì)于不同送絲方位及不同數(shù)量的保護(hù)氣路等關(guān)鍵分析變素，進(jìn)行了針對(duì)性的建模處理。送絲方位主要影響焊接熱源的設(shè)定，不同數(shù)量的保護(hù)氣路主要影響焊接過(guò)程的擺動(dòng)寬度的上限?；诖宋闹械挠邢拊Ｈ鐖D3所示。前送絲焊——熱源作用于焊縫;后送絲焊——熱源作用于母材;單保護(hù)氣路——焊縫寬度14 mm;多保護(hù)氣路——焊縫寬度28 mm。

3 模擬結(jié)果分析

3.1 溫度場(chǎng)結(jié)果

兩種工藝下焊件上某一瞬時(shí)的溫度場(chǎng)分布如圖4所示。由圖4可知，后送絲焊工藝的堆焊的熔池溫度略有提高，數(shù)值上相差226 ℃，會(huì)形成較深的熔池。對(duì)比分析焊接參數(shù)設(shè)置也可以看出：前送絲焊雖然焊接熱輸入設(shè)置較大，但是焊接熱輸入同時(shí)作用于焊縫和母材，其較大的送絲量減小了熔池過(guò)熱，使實(shí)際熔池的溫度更低。

兩種工藝下的焊縫區(qū)、熱影響區(qū)和母材區(qū)，A、B、C三個(gè)點(diǎn)的溫度循環(huán)曲線如圖5所示。對(duì)比分析改進(jìn)前后A、B、C三點(diǎn)的升降溫速度可以看出，改進(jìn)參數(shù)后，A、B、C三點(diǎn)有一個(gè)共性特點(diǎn)，即：當(dāng)進(jìn)入曲線的高溫階段后其升降溫速度更快;當(dāng)進(jìn)入中低溫階段時(shí)，由于后送絲焊時(shí)提高了預(yù)熱溫度，其冷卻速度更慢[8];在進(jìn)入高溫階段后，其升降溫速度主要與溫度上限有關(guān)，由于后送絲初始溫度更高且母材接受的熱輸入量更大（模擬過(guò)程考慮了填絲量的影響），所以其在高溫階段與峰值的溫度梯度更為明顯，因此降溫速度更快。

3.2 相變分析

焊接接頭中心截面馬氏體量分布及含量如圖6所示。

由圖6可知，母材與焊縫結(jié)合區(qū)域?yàn)轳R氏體+奧氏體組織，馬氏體組織和奧氏體組織的含量各約50%（這是由于模擬計(jì)算僅考慮了焊接溫度對(duì)各組織的單獨(dú)影響，而未考慮焊縫與母材間的稀釋問(wèn)題，因此原始分界區(qū)域的組織含量為各50%，A點(diǎn)的相組成僅能代表該區(qū)域?yàn)榛旌辖M織）。通過(guò)分析母材熔化區(qū)域的馬氏體組織含量可確定該區(qū)域的焊接冷卻速度，從圖6c中可以看到新生成馬氏體組織約95%。從馬氏體的分布云圖還可以看出，在母材熔化區(qū)并未得到100%的馬氏體。這是因?yàn)樵谟袏W氏體到馬氏體的相變過(guò)程中發(fā)生了體積的膨脹，所以一部分奧氏體受到周圍馬氏體的附加壓力，失去了長(zhǎng)大的條件就保留下來(lái)了，所以必定會(huì)有殘余奧氏體的存在[9]。從最終狀態(tài)下的馬氏體含量可以看出，參數(shù)改進(jìn)后新形成的馬氏體含量比改進(jìn)前低0.001%左右，這說(shuō)明兩種不同工藝下母材近縫區(qū)的冷卻速度是有少量差異的，但是水平相當(dāng)，也就是說(shuō)對(duì)于馬氏體組織的控制，采用文中的后送絲焊接工藝與前送絲工藝其水平是相當(dāng)?shù)摹?/p>

3.3 應(yīng)力分析

焊接殘余應(yīng)力是焊接的固有產(chǎn)物，焊接殘余應(yīng)力對(duì)于焊接結(jié)構(gòu)具有不良的影響[10]。焊縫冷卻產(chǎn)生縱向收縮，焊縫中心截面上表面（雙相區(qū)域）存在縱向殘余應(yīng)力，曲線如圖7所示。由圖7可知，兩種工藝下縱向殘余應(yīng)力的水平相當(dāng)。焊縫橫向殘余應(yīng)力產(chǎn)生的直接原因是來(lái)自焊縫冷卻時(shí)橫向收縮，間接的原因是來(lái)自于焊縫的縱向收縮。中心截面上表面橫向殘余應(yīng)力曲線如圖8所示。后送絲焊中心區(qū)域的橫向殘余應(yīng)力降低，而焊縫兩側(cè)熱影響區(qū)的殘余應(yīng)力有明顯的升高，與該峰值殘余應(yīng)力相鄰的區(qū)域又出現(xiàn)應(yīng)力方向的突變，呈反向的壓應(yīng)力，這說(shuō)明后送絲焊殘余應(yīng)力分布不均勻，這是由于其熱量更為集中，焊縫更窄，焊接過(guò)程的橫向不均勻受力更為明顯，因此產(chǎn)生了不規(guī)則的橫向殘余應(yīng)力分布狀態(tài)。說(shuō)明后送絲焊更容易因焊接殘余應(yīng)力帶來(lái)如焊接裂紋等問(wèn)題。

后送絲焊工藝下的縱向殘余應(yīng)力水平相比于前送絲焊有所下降，但是相差不大;橫向殘余應(yīng)力分布更為不均勻，薄弱區(qū)域由焊縫中間雙相區(qū)域轉(zhuǎn)移至焊縫兩側(cè)熱影響區(qū)。

4 結(jié)果驗(yàn)證

4.1 焊接試驗(yàn)和檢驗(yàn)

采用兩種工藝參數(shù)完成接頭焊接，焊接過(guò)程中熔池穩(wěn)定、焊縫成形良好。對(duì)焊縫進(jìn)行外觀檢查、超聲波探傷，檢驗(yàn)結(jié)果均滿足核設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)及設(shè)計(jì)規(guī)范要求。解剖接頭，考察焊接接頭的金相組織和力學(xué)性能，其單層雙道焊縫排布整齊規(guī)則，焊縫的根部和兩側(cè)與母材金屬熔合良好，有清晰的熔合區(qū)，彎曲試驗(yàn)結(jié)果滿足要求。焊縫外觀如圖9所示，微觀金相試驗(yàn)結(jié)果如圖10所示。

4.2 產(chǎn)品焊接

使用優(yōu)化后的后送絲焊接工藝應(yīng)用于產(chǎn)品制造，焊接工藝評(píng)定合格，產(chǎn)品焊接一次合格率100%。

5 結(jié)論

（1）采用自動(dòng)TIG后送絲焊接工藝，在馬氏體不銹鋼上堆焊鎳基690合金工藝可行，并在新型核設(shè)備上獲得良好應(yīng)用。

（2）數(shù)值模擬方法分析不同焊接工藝下的應(yīng)力場(chǎng)、溫度場(chǎng)和相變情況，為工藝優(yōu)化方法提供了成功范例。

（3）數(shù)值模擬結(jié)果表明，文中的后送絲TIG焊在SA-182 F6NM馬氏體不銹鋼上堆焊鎳基690合金工藝，焊接參數(shù)適當(dāng)，并且該工藝在實(shí)際工藝評(píng)定和產(chǎn)品焊接進(jìn)行了應(yīng)用驗(yàn)證，焊接合格率100%。

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收稿日期：2020-08-04

作者簡(jiǎn)介：江國(guó)焱（1981— ），男，碩士，高級(jí)工程師，主要從事核電主設(shè)備制造工藝和技術(shù)的研發(fā)。E-mail：agzjgy@163.com。