緊湊拉伸試樣重組技術(shù)基礎(chǔ)研究

黃 平， 祁 爽， 范敏郁， 賈文清， 蔡可信， 錢王潔， 張晏瑋

(蘇州熱工研究院有限公司，江蘇 蘇州 215004)

0 引 言

為監(jiān)測核電站反應(yīng)堆壓力容器（reactor pressure vessel，RPV）中子照射脆化程度，在RPV內(nèi)部附近放置了RPV輻照監(jiān)督樣品，通過定期提取監(jiān)督樣品完成熱室試驗以獲得RPV材料的斷裂韌性[1-4]，進而對RPV抵抗快速脆斷的壽命進行評估，確定指導(dǎo)RPV啟停堆、水壓試驗和正常運行的P-T曲線(壓力-溫度限值曲線)[1,3]，這對于核電站至關(guān)重要，各國都非常重視。但是，在核動力廠運行許可證延續(xù)階段，將會出現(xiàn)監(jiān)督樣品不足的問題。因此，為了解決樣品不足的實際工程難題，嘗試將使用完的監(jiān)督樣品殘樣放回反應(yīng)堆壓力容器內(nèi)繼續(xù)照射，在必要時期取出這些殘樣重組為新監(jiān)督樣品再次利用。

試樣重組[5-7]是以測試后殘樣的一部分作為重組試樣的插入段，在周邊接合重組材料制作而成。首先，需確定從殘樣上截取用于試樣重組的插入段材料的尺寸大小，即重組試樣材料不發(fā)生較大塑性變形的區(qū)域。故需要計算裂紋尖端塑性區(qū)尺寸[8-9]。在裂紋尖端小范圍屈服條件下，基于Tresca準則計算平面應(yīng)力條件下I型裂尖塑性區(qū)尺寸rp為

兩種屈服準則下塑性區(qū)形狀均呈啞鈴狀，且Tresca準則塑性區(qū)面積最大。但0.5T CT試樣斷裂韌性測試后裂紋尖端有明顯塑性，不滿足裂紋尖端小范圍屈服條件，故通過數(shù)值模擬確定試樣插入段范圍為22.9 mm×7.30 mm×12.5 mm，考慮焊接等因素影響，最終插入段范圍為21.0 mm×12.0 mm×12.5 mm。

其次，重組材料的選擇。重組材料需要與殘樣上截取的插入段具有相近的彈性模量、沖擊韌性和斷裂韌性[10]，以保證試驗過程中不發(fā)生較大塑性變形，同時與插入段材料有較好的焊接性。RESQUE項目中確定重組材料與插入段材料屈服應(yīng)力最大差異為 390 MPa，其對重組前后 CVN 沖擊試驗數(shù)據(jù)沒有明顯影響[11]。張新平和史耀武研究結(jié)果表明，輔助材料與研究材料的屈服強度匹配比率在 0.88至1.73范圍，其對重組前后 CVN 沖擊試驗數(shù)據(jù)沒有明顯影響[12]，故重組材料建議選用RPV材料。

再次，重組方法的選取。試樣重組技術(shù)的連接方法包括機械連接、強力膠接和焊接3種方法，前2種連接方法制備的預(yù)制疲勞裂紋的斷裂韌性試樣能夠滿足在下部轉(zhuǎn)變溫度區(qū)進行斷裂韌性試驗的強度要求，但應(yīng)用較少。試樣重組技術(shù)可選焊接方法有多種，如電子束焊接、激光焊接、螺柱焊接、凸焊和電阻接頭焊接、摩擦焊接等，表1對比各焊接方式優(yōu)缺點。重組后試樣整體材料變得不均勻，或者接合時的焊接使重組試樣中央部附近被加熱，因此需研究合適的焊接工藝和焊接參數(shù)，以確保重組試樣獲得材料力學(xué)性能參數(shù)，選擇重組后硬化區(qū)寬度較小的焊接方式，故采用電子束焊接進行試樣重組。

表1 重組試樣焊接方法比對

本文基于緊湊拉伸試樣（0.5T CT）進行試樣重組基礎(chǔ)研究，從已測試的斷裂試樣中切出可重復(fù)利用的重組材料與輔助材料接合，加工成重組試樣。為了使重組試樣的材料特性不因加工而變化，選取優(yōu)化后的電子束焊接參數(shù)進行試樣重組，完成重組前后試樣基礎(chǔ)力學(xué)性能測試，包含金相檢驗、維氏硬度測試及斷裂韌性測試，對比試樣重組前后力學(xué)性能變化。在開展重組試樣室溫斷裂韌性試驗時利用數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)獲取試驗過程中試樣表面應(yīng)變演化規(guī)律和塑性區(qū)范圍，與重組前試樣斷裂測試裂紋尖端塑性區(qū)范圍相對比，已確定重組技術(shù)的有效性。

1 重組試樣制備

1.1 焊接夾具設(shè)計

本次焊接重組材料為國產(chǎn)16MND5鋼鍛件，從0.5T CT試樣斷裂試驗后未發(fā)生塑性變形區(qū)域截取尺寸為21.0 mm×12.0 mm×12.5 mm的重組材料，進行不銹鋼樣塊重組電子束焊接試驗。為保證各零件的貼合，需設(shè)計相應(yīng)的工裝對試樣進行壓緊，圖1為設(shè)計的焊接工裝。

圖1 重組試樣焊接夾具

因為重組試樣焊縫有三條焊縫，無法一次焊接完成，每次焊縫都需要有起收弧段。根據(jù)不同的起收弧位置，設(shè)計了兩種焊接順序。第一種焊接順序如圖2（a）所示，橫焊縫起收弧在兩側(cè)引弧塊上，縱焊縫起弧在橫焊縫段，收弧在收弧塊上。第二種焊接順序如圖2（b）所示，橫焊縫起收弧在兩側(cè)引弧塊上，兩條縱焊縫，一端起弧在下方試樣上，另一端收弧在收弧塊上。按圖1的組裝方式將5塊試樣組合，按照圖2粗紅色軌跡線進行焊接。

圖2 重組試樣焊接方式示意圖（單位：mm）

1.2 試樣焊接

因需保證焊接熱影響區(qū)的范圍足夠小，故選擇焊接熱輸入小的焊接方法，真空電子束能量密度高，焊接能量精準可控，適合該類型結(jié)構(gòu)的焊接。為控制焊接變形，選擇雙面焊接。因此單面的焊接參數(shù)選擇，要求焊縫熔深超過材料一半的厚度，試驗表2所列多種焊接工藝參數(shù)，對其進行剖切，觀察焊縫熔深，最終選取合理的焊接工藝參數(shù)為：重組試樣焊接加速電壓為80 kV，聚焦電流為630～635 mA，焊接電流為30 mA，焊接速度為1 000 mm/min；定位焊焊接加速電壓為80 kV，聚焦電流為635 mA，焊接電流為10 mA，焊接速度為1 000 mm/min。分別采用圖2（a）和（b）兩種焊接方式進行試樣重組，重組后試塊如圖3所示。

表2 焊接試驗工藝參數(shù)

圖3 焊接后試塊

2 重組試樣金相檢驗和硬度測試

2.1 金相檢驗

本次實驗輔助材料為國產(chǎn)RPV鋼鍛件，重組材料為斷裂韌性試驗殘陽上截取可重復(fù)利用部分。試樣經(jīng)機加工、金相砂紙粗磨、細磨、機械拋光，在Axiovert數(shù)碼顯微鏡下觀察進行夾雜物檢驗，然后在另一個面重復(fù)上述流程并在機械拋光后采用4%的硝酸酒精侵蝕，觀察原始組織。觀察結(jié)果顯示整體熔合良好，焊縫內(nèi)未發(fā)現(xiàn)氣孔，未發(fā)現(xiàn)裂紋、夾渣等焊接缺陷。

圖4為重組材料在放大倍數(shù)為200倍和500倍下的金相組織。在光學(xué)顯微鏡下，其組織主要為粒狀貝氏體和少量鐵素體。圖5為焊縫位置在放大倍數(shù)為200倍和500倍下的金相組織，主要為貝氏體組織。圖6示出重組材料兩側(cè)熱影響區(qū)范圍，左側(cè)熱影響區(qū)寬度為672.12 μm，右側(cè)熱影響區(qū)寬度為677.45 μm。由金相檢驗結(jié)果可知，采用電子束焊接的焊縫熱影響區(qū)寬度較小，滿足試樣重組的焊接條件。

圖4 重組材料16MND5金相顯微組織

圖5 焊縫金相顯微組織

圖6 焊縫熱影響區(qū)測量

2.2 維氏硬度

重組試塊宏觀硬度采用維氏硬度，以正四棱錐體金剛石壓頭，在試驗力作用下壓入試樣表面，保持規(guī)定時間后，卸除試驗力，測量試樣表面壓痕對角線長度。本試驗采用小負荷維氏硬度試驗，載荷為1 kg的力。其結(jié)果如圖7所示。

圖7 維氏硬度測試結(jié)果

重組材料和輔助材料維氏硬度值較為穩(wěn)定，分布在182 ΗV左右，而在焊縫和熱影響區(qū)域硬度明顯高于母材，界面區(qū)存在較高硬度變化，最高達到427 ΗV。

3 斷裂性能測試與分析

3.1 試樣與設(shè)備

重組前斷裂試樣斷裂試驗采用厚度B為12.5 mm的0.5T CT試樣，試樣構(gòu)型尺寸如圖8所示。重組后試樣經(jīng)電子束焊接后需要將表面打磨平整，最終試樣厚度B為11.8 mm。在MTS809 25 kN電液伺服材料試驗上開展電液伺服試驗機上疲勞預(yù)制裂紋1.5 mm，后通過單試樣柔度法開展斷裂試驗。裂紋嘴張開位移通過COD引伸計MTS632.02F-20獲得，其標距為6 mm、量程為-1～4 mm，通過計算機對試驗過程進行控制和數(shù)據(jù)采集。

圖8 重組后試樣（單位：mm）

為了獲取試樣加載過程中裂紋尖端應(yīng)變場，試驗過程中采用德國GOM公司三維光學(xué)動態(tài)全場應(yīng)變測試系統(tǒng)[13-14]ARAMIS，測量試樣表面應(yīng)變。

3.2 試驗結(jié)果

基于單試樣柔度法獲得重組前后室溫工況下的0.5T CT試樣加載COD-當量載荷曲線如圖9所示。斷裂韌性結(jié)果列于表3。

圖9 母材和重組試樣載荷/凈厚度～加載線位移曲線對比

表3 母材和重組試樣斷裂韌性試驗結(jié)果對比

采用ARAMIS系統(tǒng)測量了試樣表面應(yīng)變場，獲得試樣表面未發(fā)生屈服區(qū)域如圖10(a)和圖10(b)所示。可明顯觀測到由于兩種焊接方式的差異在加載孔附近，距離裂紋尖端較遠，故本文選取的兩種焊接方式對試驗結(jié)果無影響。

圖10 基于DIC獲得重組試樣表面應(yīng)變云圖

4 結(jié)果與討論

重組材料和輔助材料的維氏硬度值較為穩(wěn)定，而在焊縫和熱影響區(qū)域硬度明顯高于母材，界面區(qū)存在較高的硬度變化，焊縫、熱影響區(qū)硬度明顯高于重組材料和輔助材料，形成明顯材料力學(xué)性能不連續(xù)。對應(yīng)于圖10(a)和圖10(b)顯示的裂紋尖端應(yīng)變場，焊縫位置材料及力學(xué)性能不連續(xù)，導(dǎo)致在焊縫處塑性區(qū)域的范圍受到了限制，與典型的均勻材料I型裂紋尖端應(yīng)變場形狀存在明顯差異。由圖9可知母材和重組試樣載荷/凈厚度～加載線位移曲線較為接近，重組試樣獲得材料斷裂性能特征值受輔助材料和重組材料-輔助材料連接界面的影響較小。

5 結(jié)束語

本文基于緊湊拉伸試樣對試樣重組技術(shù)進行研究，設(shè)計重組試樣焊接夾具，探究適用于RPV材料重組技術(shù)的電子束焊接參數(shù)。在斷裂性能測試試驗中，重組試樣研究材料的加載位移-當量載荷曲線較為吻合，且斷裂韌性值基本不受輔助材料和重組材料-輔助材料連接界面的影響，即重組試樣測得的性能特征值應(yīng)與完整試樣具有等同的性能特征值。該技術(shù)可有效解決RPV輻照監(jiān)督樣品不足的工程實際難題。