核電用不銹鋼雙鎢極氬弧焊接頭組織與性能

程小華，李小宇

(1.中國核工業(yè)華興建設(shè)有限公司,南京,210019；2.哈爾濱焊接研究院有限公司,哈爾濱,150028)

0 序言

雙鎢極氬弧焊是一種多熱源的高效優(yōu)質(zhì)的連接方法，用于核電站乏燃料不銹鋼水池現(xiàn)場施工，可解決目前焊接存在的效率低，成形差等問題.常規(guī)鎢極氬弧焊是一種非熔化極的焊接方法，由于選用熔點高的鎢作電極，在焊接過程中不發(fā)生熔化，電弧長度保持不變，焊接過程穩(wěn)定，加上采用惰性氣體保護，因此焊接質(zhì)量優(yōu)良，通常用于質(zhì)量要求高的重要結(jié)構(gòu)焊縫和根部焊道的焊接[1-3].在核電站不銹鋼結(jié)構(gòu)的焊接施工中，鎢極氬弧焊是首選的焊接工藝方法之一.但常規(guī)鎢極氬弧焊電弧能量密度低、焊接速度慢，若增加焊接電流，將會使電弧壓力顯著提高，在較高的電弧壓力下焊接容易造成熔池不穩(wěn)定，焊縫易形成各種焊接缺陷[2].雙鎢極氬弧焊是在原有的鎢極氬弧焊基礎(chǔ)上增加一個鎢極電弧，在保證鎢極氬弧焊優(yōu)點的同時，提高了熔敷速度和焊接速度，進而提高了焊接效率.通過優(yōu)化兩個鎢極電弧的位置分布、角度和焊接工藝參數(shù)，改善焊縫成形情況，特別是橫焊位置的焊縫成形，減少了焊接缺陷[2-4].

以6 mm 厚的304L 不銹鋼板為研究對象，針對開發(fā)的核電不銹鋼水池雙鎢極氬弧自動焊工藝，對焊接接頭的組織、力學(xué)性能、鐵素體含量、抗晶間腐蝕性能及粗晶區(qū)晶粒度評級等進行試驗研究，并分析雙鎢極氬弧焊接頭的穩(wěn)定性、均勻性以及產(chǎn)生機理，為該工藝在核電領(lǐng)域應(yīng)用提供支持.

1 試驗方法

試驗用母材為核電不銹鋼水池所使用的304L 不銹鋼，規(guī)格為400 mm × 200 mm × 6 mm，焊接材料為 φ1.2 mm ER308L 實心焊絲.母材及焊絲的化學(xué)成分及力學(xué)性能如表1 和表2 所示，表中母材、焊絲的單值為最大值.母材和焊絲均為典型3 系奧氏體不銹鋼.表3 為焊接工藝參數(shù).焊接過程中兩個電流(I1，I2)分別由兩個焊接電源提供，參數(shù)獨立可調(diào)，焊接速度較手工鎢極氬弧焊提高1 倍以上，焊接熱輸入在9.0～ 16.8 kJ/cm 之間.圖1 為高速攝像拍攝的焊接電弧形態(tài).兩個鎢極產(chǎn)生的鎢極電弧共同作用在一個焊接熔池上，熔滴過渡方式為搭橋過渡，電弧穩(wěn)定無飛濺，體現(xiàn)了典型的鎢極氬弧焊特征.

圖1 雙鎢極氬弧焊電弧形態(tài)Fig.1 Arc shape of the double tungsten argon arc hybrid welding

表1 304L 不銹鋼、ER308L 焊絲和焊縫的主要化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù)，%)Table 1 Mine chemical compositions of 304L stainless steel,ER308L welding wire and weld

表2 304L 不銹鋼和熔敷金屬的力學(xué)性能Table 2 Mechanical properties of 304L stainless steel and deposited metal

表3 焊接工藝參數(shù)Table 3 Welding paraments

試板焊接結(jié)束后，分別對焊接接頭室溫拉伸性能、沖擊性能、彎曲性能、宏觀及微觀金相、硬度、抗晶間腐蝕性能、鐵素體含量、粗晶區(qū)晶粒度等進行測試，綜合評價分析雙鎢極氬弧焊接頭的組織與性能.按照標準GB/T 2651—2008《焊接接頭拉伸試驗方法》采用AG-X plus 型電子拉力試驗機進行拉伸試驗，沿著垂直焊縫方向制取試樣，加載速率1.2 mm/min，一組試樣2 件.按照標準GB/T 229—2020《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗方法》采用ZBC2452-C 型擺錘式?jīng)_擊試驗機在室溫下進行沖擊試驗，沿著垂直焊縫方向制取試樣，試樣尺寸為55 mm × 10 mm × 2.5 mm，分別在焊縫中心及熱影響區(qū)開2 mm 深的V 形缺口，一組試樣3 件.按照標準GB/T 2653—2008《焊接接頭彎曲試驗方法》采用WE-600A 型液壓式萬能試驗機進行彎曲試驗，壓頭直徑24 mm，彎曲角度180°，加載速率5 mm/min，一組試樣4 件，其中2 件面彎、2 件背彎.按照標準GB/T 2654—2008《焊接接頭硬度試驗方法》采用HVS-50 型維氏硬度儀進行硬度試驗，測試載荷為98 N，試驗位置為焊縫點間距為1 mm、熱影響區(qū)距熔合線0.5 mm 和母材區(qū)距熔合線2.5 mm，如圖2 所示.

圖2 硬度試驗位置Fig.2 Location of hardness test

金相組織和晶粒度評級的檢驗面為垂直于焊接方向的焊縫橫截面，試樣經(jīng)研磨、拋光、CrO3-H2O 溶液電解腐蝕后分別按照標準GB/T 13289—2015 《金屬顯微組織檢驗方法》和GB/T 6394 —2017《金屬平均晶粒度測定方法》采用GX51 型金相顯微鏡進行觀察分析，粗晶區(qū)晶粒度試驗位置如圖3 所示.按照GB/T 1954—2008《鉻鎳奧氏體不銹鋼焊縫鐵素體含量測量方法》中的磁性法采用FMP30 型鐵素體測量儀進行鐵素體含量測量，測量位置如圖4 所示，每組測量點橫向間隔為3 mm，縱向間隔為4 mm.共測4 個位置，每個位置讀取5 次.按照GB/T 4334—2020《金屬和合金的腐蝕奧氏體及雙相(鐵素體-奧氏體)不銹鋼晶間腐蝕試驗方法》E 法進行晶間腐蝕試驗，評價接頭抗腐蝕性能，試驗前試樣均經(jīng)過675 ℃ × 1 h 的敏化處理，經(jīng)研磨、清洗、干燥后將試樣裝入底部鋪滿銅屑的燒杯中，并倒入配制的硫酸-硫酸銅溶液，通以冷卻水，加熱至微沸狀態(tài)，在微沸狀態(tài)下保持20 h.

圖3 測量位置Fig.3 Measuring position

圖4 鐵素體測量位置Fig.4 Measurement location of ferrite content

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 力學(xué)性能

雙鎢極氬弧焊接頭的平均抗拉強度為577 MPa，滿足RCC-M 標準中大于等于485 MPa 的要求，試樣均斷于焊縫區(qū).試驗值較標準值提高18.97%，保證了結(jié)構(gòu)的安全運行.抗拉強度的實測值與平均值波動均小于1%，說明整個焊縫強度的均勻性較好，從而保證了結(jié)構(gòu)的一致性.

圖5 為沖擊試樣的宏觀形貌.從圖5 可知，斷口有一定起伏，且剪切唇明顯，說明試樣在斷裂前承受較大的塑性變形，宏觀斷裂特征表現(xiàn)為塑性斷裂.表4 為雙鎢極氬弧焊接頭的室溫沖擊試驗結(jié)果.由于試樣厚度為2.5 mm，換算成10 mm 厚度的標準試樣值，各位置的沖擊吸收能量均大于100 J，遠大于標準GB/T 229—2020《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗方法》要求的60 J，體現(xiàn)了接頭的優(yōu)良沖擊韌性.此外，各組試樣沖擊吸收能量值相差不大.圖6為沖擊試樣焊縫和熱影響區(qū)斷口的掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope,SEM)照片.從圖6可知，斷口的微觀形貌無論是起裂區(qū)和擴展區(qū)的微觀斷裂特征均為韌窩，韌窩尺寸較小，說明形核質(zhì)點的尺寸較細小，這是該工藝方法良好的冶金結(jié)合體現(xiàn)；同時，韌窩有一定深度，表明斷裂前韌窩承受了一定的塑性變形，這些均是宏觀塑性斷口典型的微觀表現(xiàn)，與沖擊試驗結(jié)果有很好的一致性.

圖5 沖擊試樣形貌Fig.5 Morphology of impact specimen

表4 接頭的室溫沖擊吸收能量(J)Table 4 Impact absorbed energy of welded joints at the room temperature

圖6 焊縫和熱影響區(qū)沖擊斷口微觀形貌Fig.6 Microfracture morphology of impact specimen at weld zone and heat affected zone.(a) crack initiation zone (weld zone);(b) crack growth zone(weld zone);(c) crack initiation zone (heat affected zone);(d) crack growth zone (heat affected zone)

雙鎢極氬弧焊接頭的彎曲試驗結(jié)果均合格，試樣的側(cè)面和正面均未發(fā)現(xiàn)大于3.0 mm 的單個裂紋、氣孔和夾雜物等缺陷，這表明該接頭在彎曲載荷的作用下整體塑性變形能力良好.

圖7 為雙鎢極氬弧焊接頭的硬度試驗結(jié)果.從整個接頭的硬度試驗結(jié)果來看，各位置的硬度值在155～ 170 HV10 之間變化，未發(fā)生較大的波動，焊接接頭未發(fā)生明顯的軟化現(xiàn)象.

圖7 雙鎢極氬弧焊接頭的硬度試驗結(jié)果Fig.7 Hardness test results of the double tungsten argon arc hybrid welding joint

2.2 微觀組織和粗晶區(qū)晶粒度

圖8 和圖9 分別為雙鎢極氬弧焊接頭的宏觀金相與微觀組織，檢驗面為垂直于焊接方向的焊縫橫截面.從圖8 可見，雙鎢極氬弧焊接頭未見氣孔、裂紋、夾渣、未焊透、未熔合等焊接缺陷.從圖9 可見，焊縫區(qū)、熔合區(qū)和母材區(qū)組織均為奧氏體+δ鐵素體，熔合區(qū)組織分布與焊縫區(qū)不同，母材區(qū)組織中δ 鐵素體呈帶狀分布.

圖8 雙鎢極氬弧焊接頭的宏觀金相照片F(xiàn)ig.8 Macro metallography of the double tungsten argon arc hybird welding joint

圖9 雙鎢極氬弧焊接頭的微觀組織Fig.9 Microstructure of the double tungsten argon arc hybrid welding joint.(a) weld zone;(b) fusion zone;(c) base metal

檢驗面為垂直于焊接方向的焊縫橫截面，依據(jù)GB/T 6394 —2017《金屬平均晶粒度測定方法》中直線截點法對焊縫熱影響區(qū)進行平均晶粒度測定.表5 為晶粒度的測定結(jié)果.雙鎢極氬弧焊雖然較常規(guī)鎢極氬弧焊多一個熱源，但焊接時熔池尺寸增加不大，電弧熱被傳遞到熔池中心，隨著焊接時間延長，熔深和熔寬逐漸增加，而熔深增加較快，因此大部分熱量用于焊縫熔深的增加，晶粒尺寸并未明顯增長[5].

表5 晶粒度的測定結(jié)果Table 5 Measurement results of grain size

2.3 鐵素體含量測量和晶間腐蝕試驗

表6 為焊縫區(qū)鐵素體含量的測量結(jié)果，鐵素體含量均在5%～ 12%之間，符合標準要求.結(jié)果表明，雙鎢極氬弧焊接頭的鐵素體含量控制在一定的范圍內(nèi)，保證焊縫中不形成過多的脆性相，同時又降低了焊接時液化裂紋的敏感性[6-8].

表6 焊縫區(qū)鐵素體含量(質(zhì)量分數(shù)，%)Table 6 Ferrite content in weld zone

晶間腐蝕試驗試樣經(jīng)沖洗干燥后，采用壓頭直徑5 mm 沿熔合線將每個試樣彎曲成“V”形，彎曲角度大于90°.彎曲試樣在顯微鏡下放大10 倍觀察，試樣焊縫表面未發(fā)生開裂，說明接頭具有較好的抗晶間腐蝕性能.

3 結(jié)論

(1)核電不銹鋼水池304L 不銹鋼雙鎢極氬弧焊接頭的力學(xué)性能均滿足核電站相關(guān)標準要求，性能優(yōu)良，質(zhì)量穩(wěn)定.該接頭的抗拉強度波動小，說明整個焊縫強度的均勻性較好，室溫沖擊吸收能量均大于100 J，遠大于標準要求的60 J，且斷口特征為韌窩，體現(xiàn)了接頭優(yōu)良的沖擊韌性；彎曲試驗未發(fā)現(xiàn)缺陷，接頭的整體塑性變形能力較好；整個接頭硬度值波動不大，沒有明顯的軟化現(xiàn)象.

(2)雙鎢極氬弧焊接頭微觀組織為奧氏體和少量的鐵素體，鐵素體含量在5%～ 12%之間，且粗晶區(qū)晶粒未有明顯粗化現(xiàn)象，說明該接頭具有良好的塑韌性，同時還具有較好的抗熱裂紋能力.晶間腐蝕試驗表明，雙鎢極氬弧焊接頭沒發(fā)生敏化，說明該接頭具有較好的抗晶間腐蝕性能.