304 不銹鋼水下局部干法TIG 點焊工藝

鄭傳棟，王巖，劉剛，周國豐，何之

（中廣核研究院有限公司，廣東 深圳 518000）

0 前言

自1954 年世界上第一座5 mW 試驗性核電站在前蘇聯(lián)投入使用以來，核電作為一種清潔、經(jīng)濟、高效的能源已成為世界電力發(fā)展的必然趨勢[1]。目前，世界上個在建核電機組中有11 個位于中國，已成為世界上核電在建規(guī)模最大的國家[2]。相較于火電設(shè)備，核電設(shè)備運行技術(shù)復(fù)雜程度較高，且還存在由于人為或者自然災(zāi)害原因而造成核泄漏等嚴(yán)重事故。如前蘇聯(lián)的切爾諾貝利核電站事故至今還影響著當(dāng)?shù)氐木用窈铜h(huán)境。在核電站在換料大修期間需要對上部堆內(nèi)構(gòu)件燃料組件定位銷進行檢查，如發(fā)現(xiàn)彎曲變形或產(chǎn)生裂紋無法正常使用后需要對定位銷進行水下更換。將定位銷安裝于上堆芯板的定位孔后，采用防松螺母將定位銷通過螺紋連接固定于板上，并在兩者配合的螺紋處進行焊接以達(dá)到防松要求。由于待焊部位處于強烈核輻射環(huán)境，同時上堆芯板結(jié)構(gòu)緊湊，因此開發(fā)專用的水下自動焊接設(shè)備對于核電站應(yīng)急救援及修復(fù)具有可觀的經(jīng)濟效益。

目前水下焊接方法主要包括3 種，分別為濕法焊接、干法焊接和局部干法焊接[3]。相較于其他2 種方法，局部干法焊接簡單易行、電弧的燃燒及熔池凝固等過程都是在氣相環(huán)境中進行，焊接質(zhì)量明顯高于濕法焊接。此外，局部干法無需大型排水氣室、排水裝置尺寸較小，展現(xiàn)出較高的適應(yīng)性[4]。陳勇等人[5]分析了熱輸入對EH36 鋼水下局部干法焊接質(zhì)量的影響。焊縫組織主要為先共析鐵素體、側(cè)板條鐵素體和針狀鐵素體。小熱輸入條件下焊縫區(qū)由于存在較多的針狀鐵素體，導(dǎo)致焊縫金屬沖擊韌性獲得較大改善。陳國棟等人[6]采用采用水下局部干法對核乏燃料池破損面進行焊接修復(fù)時，當(dāng)焊接速度選擇48 mm/min 時，焊縫質(zhì)量較高，能夠滿足裝備設(shè)計要求。馬兆炫等人[7]開發(fā)了雙層氣體保護的小型可移動氣罩式水下TIG 焊槍，并實現(xiàn)了2507 雙相不銹鋼的水下焊接。在優(yōu)化工藝參數(shù)下可獲得與陸地環(huán)境性能相似的焊縫。

文中采用自主研制的雙鎢極焊炬對上堆芯板定位銷模擬件進行水下焊接研究，重點分析了不同焊接工藝參數(shù)（焊接電流和焊接時間）對焊點成形、微觀組織及力學(xué)性能的影響，從而實現(xiàn)上堆芯板定位銷的水下可靠連接。

1 試驗方法

采用江蘇大學(xué)自主研發(fā)的水下局部干法雙鎢極專用焊槍，在0.5 m × 0.4 m × 0.4 m 的試驗水池內(nèi)進行焊接試驗，焊接所用設(shè)備如圖1 所示，其中鎢極直徑為3.2 mm。試驗用定位銷模擬件所用材料為304 不銹鋼，定位銷模擬件尺寸如圖2 所示。

圖1 自主研制的水下局部干法雙鎢極專用焊槍

圖2 上堆芯板定位銷模擬試樣尺寸

選用的焊機為奧太公司生產(chǎn)的WSM-400C 焊接電源，該焊機空載電壓85 V。采用與焊接電源相匹配的焊接控制柜，能夠自由調(diào)節(jié)前氣時間、兩點焊接時間、間隔時間及后氣時間等參數(shù)，如圖3 所示焊接電源與焊接控制柜的同步工作能夠完成焊接信號控制，實現(xiàn)對模擬件的水下兩點焊接。

圖3 焊接信號控制順序

所用母材為304 不銹鋼，母材化學(xué)成分見表1。母材采用點焊方式對304 不銹鋼進行焊接。焊接工藝參數(shù)見表2。對焊后試樣進行沿焊點直徑剖切，隨后進行逐層打磨并采用粒度為1.0 μm 的金剛石噴霧拋光劑對金相試樣拋光。金相試樣腐蝕劑選用酸性FeCl3溶液（50 mL HCl+10 mL HNO3+100 mL H2O+10 g FeCl3），腐蝕時間約為40 s。采用蔡司金相顯微鏡（Observer.Z1m）對焊點（熔寬和熔深）尺寸及金相組織進行觀察統(tǒng)計。采用電子萬能試驗機（DDL100）對焊點室溫壓縮承載力進行測試，測試速度為1 mm/min，每一個工藝參數(shù)壓縮試樣的測試數(shù)量為3 個，取平均值作為試驗值。隨后對壓縮試驗獲得的斷口進行掃描電鏡（FEI Nova Nano450）觀察，以確定其斷裂特征。

表1 304 不銹鋼化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

表2 水下雙鎢極點焊工藝參數(shù)

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 焊點外觀及截面形貌觀測

按照表2 中的焊接工藝對銷釘模擬試樣進行點焊，獲得的焊點表面成形和截面形貌見表3。由圖可知，不同工藝參數(shù)下焊點形貌均呈現(xiàn)銀白色，且各焊點均未產(chǎn)生顯著下塌等缺陷，表明在焊接過程中排水罩內(nèi)部形成局部干燥環(huán)境，能夠獲得優(yōu)質(zhì)的焊點成形質(zhì)量。相較于空氣環(huán)境不銹鋼焊接相比[8]，水下局部干法獲得的焊點表面無氧化，呈現(xiàn)銀白色特征，這主要是由于水下局部干法焊接時排水罩內(nèi)氬氣純度較高且無空氣干擾所致。

表3 不同焊接工藝下焊點表面形貌

由焊點金相相貌觀察可知，焊點截面同樣未產(chǎn)生氣孔、裂紋等焊接缺陷，熔池截面呈現(xiàn)不規(guī)則半橢圓。為探究焊接工藝參數(shù)對焊點截面特征尺寸的影響，選取熔寬和熔深作為焊點截面特征尺寸并對兩者進行了測量統(tǒng)計，結(jié)果如圖4 所示。對于焊接電流而言，隨著焊接電流的增加，焊點熔寬顯著增加，但熔深變化較小。而選擇過大的焊接電流后會導(dǎo)致鎢針燒損，易引發(fā)焊點內(nèi)產(chǎn)生夾鎢缺陷。對于焊接時間，兩焊點截面尺寸與焊接時間成正比，這主要是由于焊接時間的延長促進焊點區(qū)域吸收的熱量增多，導(dǎo)致焊點截面尺寸顯著增加。當(dāng)?shù)? 點和第2 點焊接時間分別超過15 s 和10 s 后，則焊點截面尺寸變化不顯著。另一方面，考慮焊接時間過長將顯著降低焊接效率，因此焊接時間不易過長。

圖4 不同工藝參數(shù)下焊點截面特征尺寸對比

2.2 焊點典型組織

圖5 為2 號試樣第2 焊點金相組織，由圖可知，焊點截面呈現(xiàn)半橢圓形，根據(jù)金相組織特征，可將焊點分為焊縫區(qū)、熱影響區(qū)和母材區(qū)3 個區(qū)域。圖5(b)為靠近熔合線區(qū)域的組織（區(qū)域1），焊縫組織形貌為垂直于界面生長的柱狀樹枝晶，這是由于焊縫在凝固過程中，母材部分區(qū)域被加熱到半熔化狀態(tài)，半熔化狀態(tài)的母材可作為新的形核點進行非自發(fā)結(jié)晶，形核產(chǎn)生的晶粒沿著垂直于熔合線散熱最快的方向擇優(yōu)生長，從而形成聯(lián)生結(jié)晶組織（區(qū)域2）。圖4(d)獲得的柱狀晶分布驗證了上述分析。隨著柱狀晶向焊縫內(nèi)的不斷生長，當(dāng)接近焊縫中心時，固液界面前沿逐漸向焊縫中心推移，溫度梯度不斷減小，結(jié)晶速度逐漸增大，G/R值減小，所以結(jié)晶形態(tài)開始由柱狀晶向等軸晶轉(zhuǎn)變，如圖5(e)所示。

圖5 2 號試樣第2 焊點不同區(qū)域金相組織

根據(jù)圖5(c)組織特征并結(jié)合文獻(xiàn)[9]可知，焊縫區(qū)主要由γ-奧氏體+δ-鐵素體組成，其中δ-鐵素體以蠕蟲狀平行分布于γ-奧氏體晶界區(qū)域，且δ-鐵素體含量約為13.8%。根據(jù)焊縫金屬的成分可知，304 不銹鋼焊縫金屬鉻當(dāng)量和鎳當(dāng)量分別為18.79 和9.82（Creq=Cr+Mo+1.5Si+0.5Nb，Nieq=Ni+30C+0.5Mn[10]）。由舍弗勒組織圖[11]可知，304 不銹鋼焊縫凝固規(guī)律則符合FA 模式（L→L+δ→L+δ+γ→δ+γ），即初始析出相為δ-鐵素體，最終轉(zhuǎn)變?yōu)棣?奧氏體相。但由于水下環(huán)境極快的冷卻速度，導(dǎo)致焊縫區(qū)鐵素體未有充足時間完全轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，因此最終焊縫金屬由基體γ-奧氏體和未完全轉(zhuǎn)化的δ-鐵素體所組成，這與文獻(xiàn)[12]獲得接頭組織相一致。

圖5(g)為焊點熱影響區(qū)金相組織相貌。由圖可知，熱影響區(qū)仍保持γ-奧氏體結(jié)構(gòu)，該區(qū)域晶粒尺寸較母材表現(xiàn)出顯著的粗化傾向，但寬度較小，約為0.3～0.6 mm。熱影響區(qū)晶粒粗化主要是由于熱循環(huán)作用下晶界處原子跨越界面遷移的擴散引起的晶界遷移導(dǎo)致的。已有研究表明，304 不銹鋼TIG 焊接頭熱影響區(qū)晶粒尺寸粗化導(dǎo)致該區(qū)域軟化，弱化了接頭力學(xué)性能[8]。因此需要調(diào)控焊接熱輸入以抑制熱影響區(qū)晶粒粗化程度。此外，由于304 不銹鋼焊前進行熱軋變形，因此母材區(qū)形成較多中止型孿晶，由于孿晶的“劈裂”效應(yīng)破壞了原奧氏體晶粒的完整性，如圖5(i)所示。對于熱影響區(qū)而言，當(dāng)經(jīng)歷焊接熱循環(huán)過程中孿晶將不斷長大，如圖5(h)所示。

2.3 焊點壓縮性能測試

對表3 工藝參數(shù)獲得的焊點進行了壓縮承載力測試，并設(shè)計了專用壓縮測試夾具，測試示意圖如圖6 所示。采用圖6 所示工藝對焊點進行了壓縮測試，測試結(jié)果如圖7 所示。由圖4 可知，當(dāng)焊接熱輸入較大時，焊點熔寬及熔深均較大，因此其承載力相應(yīng)增加，均超過19 kN，如3 號、5 號和8 號工藝參數(shù)獲得的試樣。當(dāng)焊接熱輸入相對較小時，由于焊點熔寬及熔深較小，其承載面積顯著減少，因而銷釘承載力顯著降低，均不超過16 kN。而2 號工藝參數(shù)獲得的試樣承載力介于兩者之間，達(dá)到17.6 kN，結(jié)合焊點截面成形進一步驗證2 號焊接工藝參數(shù)可實現(xiàn)對銷釘?shù)膬?yōu)質(zhì)連接。

圖6 壓縮試驗夾具和試樣構(gòu)成

圖7 不同點焊工藝參數(shù)下接頭壓縮承載力對比

圖8 為2 號試樣壓縮斷裂面形貌。可知，2 號試樣全部斷裂于焊縫內(nèi)部，且斷口表面存在顯著的起伏特征。如圖9 所示。對右側(cè)焊點斷口形貌觀察可知，斷裂表面較為平整。斷口內(nèi)上分布著較多平行于剪切方向的滑移撕裂條紋，還可觀察到大量的粗大而密集的拉長韌窩，與剪切方向相一致，且韌窩含量遠(yuǎn)高于滑移撕裂條紋，因此該試樣呈現(xiàn)韌性穿晶斷裂模式。

圖8 試樣斷裂宏觀形貌

圖9 2 號試樣焊點斷裂特征

3 結(jié)論

（1）上堆芯板定位銷模擬件水下焊接獲得的焊點表面呈現(xiàn)銀白色，無下塌等缺陷，表明水下焊接焊點成形質(zhì)量優(yōu)異。隨著焊接電流和焊接時間的增加，焊點截面尺寸均顯著增加。

（2）焊點焊縫區(qū)組織主要由γ-奧氏體及少量δ-鐵素體組成，且δ-鐵素體呈蠕蟲狀分布于奧氏體晶界，熱影響區(qū)則由于熱循環(huán)作用導(dǎo)致晶粒顯著粗化。

（3）焊接電流和焊接時間的增加促進焊點壓縮力學(xué)性能顯著增加，斷裂特征以韌性斷裂模式為主。結(jié)合焊接效率與焊點力學(xué)性能，2 號焊接工藝參數(shù)可實現(xiàn)對定位銷模擬件的優(yōu)質(zhì)連接。