316L/S32101異種金屬焊接接頭的顯微組織與力學(xué)性能研究

孫湞，楊濤，俞照輝，簡(jiǎn)海林

316L/S32101異種金屬焊接接頭的顯微組織與力學(xué)性能研究

孫湞，楊濤，俞照輝，簡(jiǎn)海林

（國(guó)核電站運(yùn)行服務(wù)技術(shù)有限公司，上海 200233）

研究乏燃料水池用鋼板316L與覆板S32101雙相不銹鋼的焊接性、接頭不同區(qū)域顯微組織特征及接頭與母材之間的性能差異。利用氬弧焊接技術(shù)對(duì)5 mm厚的316L底板與3 mm厚的S32101覆板以搭接的形式進(jìn)行焊接，利用金相顯微鏡、掃描電鏡、維氏顯微硬度儀和電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)對(duì)焊接接頭的宏觀形貌、顯微組織以及力學(xué)性能進(jìn)行研究。316L/S32101焊縫組織主要由鐵素體基體、晶界樹枝狀?yuàn)W氏體以及晶內(nèi)細(xì)小片狀?yuàn)W氏體所組成；316L側(cè)靠近焊縫處存在一個(gè)較窄的熔合區(qū)，其組織由奧氏體基體和少許細(xì)小分散的鐵素體組成，而S32101側(cè)靠近焊縫處組織則由粗大鐵素體晶粒和沿晶粒邊界分布的若干小塊狀?yuàn)W氏體組成。從316L母材區(qū)到焊縫區(qū)，硬度顯著增大，而從焊縫區(qū)到S32101母材區(qū)，硬度變化很??；焊接接頭的抗拉強(qiáng)度高達(dá)510 MPa，為兩側(cè)316L和S32101母材強(qiáng)度的87.9%和88.6%。在焊接電流為240 A和焊接速度為300 mm/min的條件下，可以通過氬弧焊獲得成形良好的搭接接頭，且接頭的力學(xué)性能優(yōu)異。

異種鋼焊接；核電維修；316L不銹鋼；S32101雙相不銹鋼

在整個(gè)核電站運(yùn)行周期中，需要定期更換核燃料來維持穩(wěn)定的電力輸出，因此，也會(huì)不斷產(chǎn)生核廢料——乏燃料。乏燃料仍具有高劑量的放射性和自衰變發(fā)熱功能，需要在乏燃料水池中浸泡來屏蔽輻射和降溫。絕大多數(shù)的乏燃料水池鋼覆面材料采用316L奧氏體不銹鋼或者成分相近的牌號(hào)[1]，這類材料對(duì)于氯離子極為敏感，易產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開裂。迄今為止，國(guó)內(nèi)外乏燃料水池鋼覆面已出現(xiàn)不少由于應(yīng)力腐蝕開裂而導(dǎo)致泄漏的案例，其維修技術(shù)也日益成為核電站特種維修工作者關(guān)注的焦點(diǎn)[2—4]。

當(dāng)前，對(duì)于乏燃料水池泄漏部位的維修，主要采用覆板焊接維修，即在泄漏部位覆蓋一塊同材質(zhì)不銹鋼板，并通過搭接環(huán)焊縫進(jìn)行密封[5]。對(duì)于覆板材料的選擇，以往主要采用同材質(zhì)的3系列奧氏體不銹鋼或者鎳基合金，前者存在二次開裂損壞的風(fēng)險(xiǎn)，而后者對(duì)焊接施工要求非常高，尤其是在水下作業(yè)。為了解決上述問題，新型的AP1000核電站嘗試將耐腐蝕性優(yōu)異的S32101雙相不銹鋼應(yīng)用于乏燃料水池覆板[6]。目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于316L不銹鋼與S32101雙向不銹鋼之間的焊接工藝及接頭性能的研究很少，相關(guān)研究主要集中在316L與Q235[7]或Q345[8]、316L與銅合金[9]、316L與鈦合金[10]、S32101雙向不銹鋼的焊接工藝性[11]以及S32101與410[12]等。文中采用316L不銹鋼為底板和S32101雙相不銹鋼作為覆板，進(jìn)行乏燃料水池焊接堵漏技術(shù)研究，并系統(tǒng)研究316L/S32101焊接接頭的顯微組織和力學(xué)性能，以期

為乏燃料水池泄漏部位的維修提供必要的實(shí)驗(yàn)和理論基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)

采用底板規(guī)格為500 mm×500 mm×5 mm的316L不銹鋼板，覆板規(guī)格為200 mm×200 mm×3 mm的軋制態(tài)S32101雙相不銹鋼。其各自的名義化學(xué)成分如表1所示。

焊接設(shè)備采用福尼斯MW4000氬弧焊設(shè)備與KUKA機(jī)器人所組成的自動(dòng)焊工作站。試樣以搭接的形式進(jìn)行焊接，底板箱體倒置，即底平面朝上，覆板置于底板平面上部，然后將覆板四周與底板的上表面熔接在一起。氬弧焊的相關(guān)焊接參數(shù)為：焊接電流為240 A，焊接速度為300 mm/min，保護(hù)氣體使用純度為99.9999%的高純氬氣。

焊后，以垂直于焊縫方向?yàn)殚L(zhǎng)度方向?qū)附咏宇^進(jìn)行取樣。經(jīng)400#—1200#砂紙逐級(jí)研磨、機(jī)械拋光后，用王水（HCL︰HNO3=3︰1）和5 mL HCL+10 mL HNO3+100 mL H2O+10 g FeCl3溶液分別侵蝕316L和S32101，利用萊卡DMI5000M型金相顯微鏡對(duì)焊接接頭進(jìn)行金相組織觀察，采用蔡司ΣIGMA HDTM掃描電鏡配套的能譜儀（EDS）對(duì)焊接接頭進(jìn)行元素掃描分析，采用HVS-1000Z型維氏顯微硬度儀對(duì)焊接接頭進(jìn)行顯微硬度測(cè)試。采用CMT5105型電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)的加載速度為1 mm/min。

表1 焊接材料的名義化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）

Tab.1 Nominal chemical composition of welding materials (mass fraction) %

2 結(jié)果與分析

2.1 焊接接頭宏觀形貌

圖1為316L/S32101異種鋼搭接焊件的宏觀形貌，其中圖1c和d分別為圖1a中焊件的直焊道和圓角焊道放大圖。由圖1a—d可以看出，覆板緊密貼合于底板上，變形量較小。無論是直焊道、還是圓角焊

道處，其成形均十分良好，焊道表面魚鱗紋分布均勻，無咬邊、弧坑、裂紋等宏觀缺陷。圖1e和f分別為圖1a中直焊道和圓角焊道熔焊接頭的橫截面，經(jīng)過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，直焊道和圓角焊道處底板熔深相似且很淺（約0.35 mm），這說明底板的稀釋率較小，焊縫可以保持與覆板較為相近的化學(xué)成分，對(duì)提高抗應(yīng)力腐蝕性能具有重要的作用。

圖1 316L/S32101異種鋼焊接搭接的宏觀形貌

2.2 顯微組織

圖2為316L側(cè)母材和焊接接頭的金相顯微組織。由圖2a可知，316L母材為單相奧氏體組織。從圖2b可以看出，316L側(cè)熱影響區(qū)的組織與其母材類似，仍由六角狀的奧氏體組成，但經(jīng)過對(duì)比后發(fā)現(xiàn)（圖2a和b），熱影響區(qū)中部分晶粒有明顯長(zhǎng)大。由圖2c可見，316L側(cè)熱影響區(qū)與焊縫組織差異顯著，且它們之間的界面非常清晰。在焊縫和316L側(cè)熱影響區(qū)之間存在一個(gè)約40 μm的熔合區(qū)（如圖2b中紅線標(biāo)識(shí)），該區(qū)域的組織保持了316L焊縫的典型特征，主要由奧氏體基體和少許細(xì)小分散的鐵素體組成。黃本生等[13]在Q345/316L異種鋼填充焊接接頭中也發(fā)現(xiàn)了類似現(xiàn)象，其主要原因是熔池邊緣的組織主要由母材焊后重新凝固所形成的。熔合區(qū)內(nèi)側(cè)的焊縫顯微組織明顯出現(xiàn)變化，黑色鐵素體成分增多（圖2c中箭頭所示），這說明在該區(qū)域，316L和S32101成分混合或合金元素互相擴(kuò)散，促進(jìn)了鐵素體的形成[14—15]。

圖2 316L側(cè)顯微組織

圖3為S32101側(cè)母材和焊接接頭的金相顯微組織。由圖3a可知，S32101雙相不銹鋼母材組織中島狀分布的明亮相是奧氏體相，奧氏體沿著雙相不銹鋼的軋制方向以條狀分布，而灰色的基體組織是鐵素體相，兩相交替分布。從圖3b可以看出，焊縫與S32101側(cè)熱影響區(qū)的組織也存在顯著差異，且它們之間的界面清晰可見。此外，與焊縫邊界相鄰的S32101側(cè)熱影響區(qū)（緊挨焊縫邊界處）組織由粗大鐵素體晶粒和沿鐵素體晶粒邊界分布的若干小塊狀?yuàn)W氏體組成，如圖3c中箭頭所示，其主要原因是焊接過程中在高溫作用下該區(qū)域大量奧氏體向鐵素體轉(zhuǎn)變，且鐵素體晶粒發(fā)生粗化；在后續(xù)冷卻過程中，盡管在鐵素體晶粒邊界處逐漸析出奧氏體，且伴隨著奧氏體長(zhǎng)大，但是由于該區(qū)域冷卻速率很快，導(dǎo)致這些奧氏體以小塊狀存在[16—17]。

圖4為316L/S32101異種鋼焊縫中心部位的金相顯微組織。可以看出，與S32101側(cè)熔池邊界組織（圖3b中箭頭所示）類似，316L/S32101異種鋼焊縫組織主要由鐵素體基體和奧氏體相組成，其中奧氏體存在2種不同形態(tài)：① 晶界奧氏體，其特征為樹枝形貌的長(zhǎng)條狀?yuàn)W氏體，沿鐵素體晶界析出，如圖4a所示；② 晶內(nèi)奧氏體，其生長(zhǎng)在鐵素體晶內(nèi)，特征為尺寸小，呈小片狀，如圖4b所示。

圖3 S32101側(cè)顯微組織

圖4 316L/S32101異種鋼焊接接頭顯微組織

為了分析316L/S32101異種鋼焊接過程中合金元素的遷移情況，分別對(duì)316L側(cè)和S32101側(cè)熔池邊界進(jìn)行EDS能譜線掃描分析，如圖5和圖6所示。對(duì)比316L/S32101兩種鋼母材的化學(xué)成分（見表1）可知，316L母材中Ni和Mo元素的含量與S32101母材的差異很大（前者比后者高很多倍），而S32101母材中Cr和Mn元素的含量略高于316L母材，其他元素含量相似。研究表明[18]，由于不同金屬母材中合金元素濃度有顯著的差異，在高溫熔池條件下，熔合線兩側(cè)的不同金屬間有顯著濃度差異的活潑元素就會(huì)從高濃度向低濃度遷移。由圖5可知，316L側(cè)中Ni和Mo元素向焊縫發(fā)生明顯遷移，導(dǎo)致在316L側(cè)和焊縫中Ni和Mo元素差異相對(duì)較小。但是焊縫中Cr和Mn元素向316L側(cè)遷移較小，從而在316L側(cè)和焊縫中Cr和Mn元素含量差異與316L母材和S32101母材中的差異相當(dāng)。圖6為S32101側(cè)焊縫邊界SEM圖像及線掃面能譜圖，可以看出，在S32101側(cè)和焊縫中，Ni，Mo，Cr，Mn元素的含量非常相近，而且在焊縫邊界處這些元素沒有明顯的濃度梯度變化，這表明S32101側(cè)中Cr和Mn元素向焊縫、焊縫中Ni和Mo元素向S32101側(cè)均發(fā)生了較為明顯的遷移。

2.3 力學(xué)性能

2.3.1 顯微硬度

為了分析316L/S32101異種鋼焊接后不同區(qū)域的硬度分布變化，沿316L母材-焊縫-S32101母材區(qū)進(jìn)行硬度測(cè)試，其硬度分布特征如圖7所示。可知，焊縫區(qū)的硬度（約255HV）明顯高于316L側(cè)熱影響區(qū)及316L母材（約200HV），與S32101側(cè)熱影響區(qū)及S32101母材區(qū)（約250HV）的硬度相近。這可能與316L底板熔化量較少，稀釋率較低，焊縫主要由S32101熔化而成有關(guān)。因此，焊縫區(qū)硬度與S32101母材硬度相近，而與316L母材硬度有一定差異。此外，316L側(cè)熱影響區(qū)出現(xiàn)了硬度比較明顯的降低，這可能與奧氏體晶粒受熱循環(huán)的影響，部分晶粒發(fā)生長(zhǎng)大，從而導(dǎo)致熱影響區(qū)組織發(fā)生軟化有關(guān)。

2.3.2 拉伸性能

表2為軋制態(tài)316L母材、S32101母材以及316L/S32101搭接接頭的室溫拉伸性能?？梢钥闯?，搭接接頭的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率分別為510 MPa，246 MPa和12%，分別為兩側(cè)316L和S32101母材抗拉強(qiáng)度的87.9%和88.6%，屈服強(qiáng)度的96.5%和51.3%，伸長(zhǎng)率的28.6%和31.6%。

圖5 316L側(cè)焊縫邊界SEM圖像及線掃面能譜

圖6 S32101側(cè)焊縫邊界SEM圖像及線掃面能譜

圖7 焊接接頭顯微硬度分布

表2 軋制態(tài)316L母材、S32101母材和316L/S32101焊接搭接接頭的室溫拉伸性能

Tab.2 Room temperature tensile properties of rolled 316L base metal, S32101 base metal and 316L/S32101 welded lap joints

3 結(jié)論

1）采用氬弧焊方法，對(duì)316L不銹鋼/S32101雙相不銹鋼進(jìn)行搭接自熔焊時(shí)，在焊接電流為240 A和焊接速度為300 mm/min的條件下可以獲得成形良好的搭接接頭。

2）316L/S32101焊縫組織主要由鐵素體基體、晶界樹枝狀?yuàn)W氏體以及晶內(nèi)細(xì)小片狀?yuàn)W氏體組成；在316L側(cè)靠近焊縫處存在一個(gè)較小的熔合區(qū)，其組織由奧氏體基體和少許細(xì)小分散的鐵素體組成；在S32101側(cè)靠近焊縫處的組織由粗大鐵素體晶粒和沿鐵素體晶粒邊界分布的若干小塊狀?yuàn)W氏體組成。

3）316L母材區(qū)的硬度約為200HV，從316L母材區(qū)到焊縫區(qū)，硬度顯著增大，焊縫區(qū)平均硬度約255HV，而從焊縫區(qū)到S32101母材區(qū)，硬度變化很??；316L/S32101焊接接頭的抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率分別為510 MPa和12%，為兩側(cè)316L和S32101母材強(qiáng)度的87.9%和88.6%，伸長(zhǎng)率的28.6%和31.6%。

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Investigation on Microstructures and Mechanical Properties of 316L/S32101 Dissimilar Lap Joints

SUN Zhen, YANG Tao, YU Zhao-hui, JIAN Hai-lin

(State Nuclear Power Plant Service Company, Shanghai 200233, China)

The work aims to study the weldability of 316L steel plate for spent fuel pool and S32101 duplex stainless-steel overlay plate, the microstructure characteristics of different areas of the joint and the performance differences between the joint and the base metal. The 316L base plate of 5 mm thick and S32101 cladding plate of 3 mm thick were welded by argon arc welding technology in the form of overlap. The macro morphology, microstructure and mechanical properties of the welded joint were studied by metallographic microscope, scanning electron microscope, Vickers microhardness tester and electronic universal material testing machine. The results showed that the microstructure of the 316L/S32101 welded joint was mainly composed of ferrite matrix, dendritic austenite at grain boundary and fine lamellar austenite inside grain. There was a narrow fusion zone near the fusion line on the 316L side. Its microstructure was composed of austenite matrix and a few fine dispersed ferrite; while the microstructure near the weld on the S32101 side was composed of coarse ferrite grains and some small massive austenite distributed along the grain boundary. From 316L base metal zone to weld zone, the hardness increased significantly; while from weld zone to S32101 base metal zone, the hardness changed little. The tensile strength of the joint was up to 510 MPa, which was about 87.9% and 88.6% of the strength of 316L and S32101 base metal, respectively. It can be concluded that a well-formed lap joint of excellent mechanical property can be obtained by argon arc welding technology as the welding current is 240 A and the welding speed is 300 mm/min.

dissimilar steel welding; maintenance of nuclear power plant; 316L stainless steel; S32101 duplex stainless steel

10.3969/j.issn.1674-6457.2021.06.019

TG456.7

A

1674-6457(2021)06-0138-07

2021-09-10

國(guó)家重大科技專項(xiàng)（2018ZX06002006）

孫湞（1985—），男，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)楹穗姾附蛹夹g(shù)管理和焊接性能控制。

楊濤（1988—），男，工程師，主要研究方向?yàn)楹穗姾附蛹夹g(shù)管理和焊接性能控制。