馬氏體不銹鋼堆焊鎳基合金工藝開發

江國焱　何冰　劉遠彬　孫國輝　王育忠

摘要：由中國廣核集團自主研發的ACPR50S實驗堆設備，采用在馬氏體不銹鋼導流環腔本體的上下端面堆焊鎳基690合金，來滿足進一步焊接免除熱處理的需要。在成功開發自動TIG前送絲堆焊工藝的同時，通過焊接模擬分析手段進行了研究分析，優化了后送絲自動TIG堆焊工藝，解決了后送絲焊工藝的焊接裂紋問題，最終，實現產品導流環腔全部堆焊焊縫無損檢驗一次合格。

關鍵詞：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：TG457.11 文獻標志碼：A 文章編號：1001-2303（2020）12-0048-06

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.12.11

0 前言

小型核反應堆因其靈活和用途廣泛的特點，受到重視[1]。由中廣核集團自主研發的ACPR50S實驗堆系列設備中，為了解決導流環腔本體與密封件焊縫熱處理問題，設計了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。

低碳馬氏體焊接時具有冷裂紋傾向[2]，并會產生較大的焊接殘余應力，一般采用較大的焊接熱輸入，使焊接熱影響區慢速冷卻，以保證其力學性能。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生。因此文中采用熱輸入易于控制的TIG焊工藝[3]，使用適當的焊接參數，實現了SA-182 F6NM材料上堆焊鎳基690合金在核反應堆設備上的首次應用。

采用前送絲焊和后送絲焊的方式焊接，對堆焊質量有很大影響。在前送絲焊工藝開發成功后，因受焊接設備功能局限性的影響，使用相同焊接電參數的后送絲堆焊，堆焊后產生了大量的焊縫和熔合區焊接未熔合和焊接裂紋。

為了解決后送絲的堆焊質量問題，采用焊接數字模擬技術，對兩種工藝的溫度場、應力場以及馬氏體相變情況進行定量分析。根據分析結果，優化了后送絲TIG堆焊工藝，并將其成功應用于產品的焊接，獲得了良好的成果和有益的經驗。該研究成果對于類似產品焊接具有指導性意義，對于同行業焊接工藝研究和優化具有一定的參考價值。

1 技術分析

1.1 母材

SA-182 F6NM為ASME標準馬氏體不銹鋼，具有冷裂傾向。馬氏體不銹鋼焊接過程中一般采用預熱和較大的焊接熱輸入來降低焊縫及熱影響區的冷卻速度，防止產生冷裂紋[4]。材料的化學成分如表1所示。

1.2 焊材

堆焊焊絲ERNiCrFe-7A為ASME標準焊絲。該焊材所堆敷的熔敷金屬或焊縫金屬具有優異的耐腐蝕性能和良好的高溫力學性能，在壓水堆核電站設備中得到了廣泛應用[5]。但是該焊材焊接時易產生熱裂紋[6]，因此焊接過程中要通過采用小電流快速焊控制焊縫高溫停留時間。其化學成分見表2。

1.3 不同送絲方位對焊縫質量的影響

1.3.1 前送絲焊

TIG焊時，填充送絲端部位于電極前進方向的前方稱為前送絲焊，如圖2a所示。此時，電弧能量同時作用于焊絲和母材，熔深較淺;焊絲熔化于前端電弧，進入熔池后，又經歷了后端電弧的加熱，相比于后送絲焊，焊縫在高溫停留時間更長一些，焊縫經歷了電弧前端和后端的兩次連續加熱，焊后的冷卻速度較慢，有利于熔合區低硬度回火馬氏體的形成，但會增大鎳基焊縫的熱裂紋傾向。因為經歷了兩次連續加熱，可以通過提高焊接速度，同時增大送絲速度的方式達到縮短焊縫金屬的高溫停留時間、避免熱裂紋發生的目的。

1.3.2 后送絲焊

TIG焊時，填充送絲填入位置位于電極前進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，母材會形成更多的未回火馬氏體組織，這對于冷裂紋的控制是不利的。同時，焊絲熔化進入熔池后僅經歷后端電弧的加熱，焊縫在高溫加熱的停留時間更短一些，熔池的液態金屬的存在時間更短，焊后的冷卻速度較快，且未經歷充分攪拌，可獲得稀釋率較低的堆焊焊縫，但易產生未熔合缺陷。因此，與前送絲相比，后送絲焊應選用更小的焊接電流和更低的送絲速度來保證焊縫的熔合良好和獲得恰當的焊縫深寬比的同時，避免冷裂紋的產生。

1.3.3 保護氣路的影響

不同數量保護氣路對焊接過程的影響不同，氣路越少，焊接過程中氣體保護效果越差，影響堆焊的質量和效率。文中研究的前送絲焊為多路保護氣，后送絲焊為單路保護氣。焊接氣體保護效果與焊接效率有很大關系，前送絲由于使用了多氣路保護，可以獲得更好的保護效果，因此焊接過程中可以設置較寬的擺動幅度，以獲得高效率的堆焊工藝。后送絲由于僅能實現單路氣保護，因此擺動寬度應設置得較窄，堆焊工藝效率較低。在建模過程中，考慮到不同數量保護氣路的差異，對于不同數量保護氣路的焊縫設置了不同的尺寸，并根據實際焊縫成型進行了修正。

1.3.4 焊接參數優化設置

以前送絲焊參數為參照，根據前送絲焊和后送絲焊的特點以及氣體保護情況調節焊接參數，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，既可以滿足冷卻過程的冷卻速度適宜且焊縫不至于過熱產生熱裂紋。參數優化：降低后送絲焊焊接速度保證焊縫熔合;減小后送絲擺動幅度，增強氣體保護效果;降低后送絲焊送絲速度以匹配較低擺動參數，同時保證焊縫熔合;增加后送絲結構焊機預熱溫度到200 ℃，避免冷裂紋。焊接參數優化設置如表3所示。

2 焊接模擬分析

采用Sysweld軟件進行焊接過程模擬分析，對比兩種工藝參數下的焊接溫度場、應力（產生冷裂紋的關鍵影響因素）以及焊接后熔合區的馬氏體和殘余奧氏體的含量，以驗證和完善優化的后送絲工藝。

模型采用平板單道堆焊結構，焊接參數見表3，對于馬氏體基材考慮了相變影響。采用非均勻網格劃分的方式，從焊縫到非焊接區域網格逐步過渡[7]。

對于不同送絲方位及不同數量的保護氣路等關鍵分析變素，進行了針對性的建模處理。送絲方位主要影響焊接熱源的設定，不同數量的保護氣路主要影響焊接過程的擺動寬度的上限。基于此文中的有限元建模如圖3所示。前送絲焊——熱源作用于焊縫;后送絲焊——熱源作用于母材;單保護氣路——焊縫寬度14 mm;多保護氣路——焊縫寬度28 mm。

3 模擬結果分析

3.1 溫度場結果

兩種工藝下焊件上某一瞬時的溫度場分布如圖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，數值上相差226 ℃，會形成較深的熔池。對比分析焊接參數設置也可以看出：前送絲焊雖然焊接熱輸入設置較大，但是焊接熱輸入同時作用于焊縫和母材，其較大的送絲量減小了熔池過熱，使實際熔池的溫度更低。

兩種工藝下的焊縫區、熱影響區和母材區，A、B、C三個點的溫度循環曲線如圖5所示。對比分析改進前后A、B、C三點的升降溫速度可以看出，改進參數后，A、B、C三點有一個共性特點，即：當進入曲線的高溫階段后其升降溫速度更快;當進入中低溫階段時，由于后送絲焊時提高了預熱溫度，其冷卻速度更慢[8];在進入高溫階段后，其升降溫速度主要與溫度上限有關，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，母材與焊縫結合區域為馬氏體+奧氏體組織，馬氏體組織和奧氏體組織的含量各約50%（這是由于模擬計算僅考慮了焊接溫度對各組織的單獨影響，而未考慮焊縫與母材間的稀釋問題，因此原始分界區域的組織含量為各50%，A點的相組成僅能代表該區域為混合組織）。通過分析母材熔化區域的馬氏體組織含量可確定該區域的焊接冷卻速度，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，在母材熔化區并未得到100%的馬氏體。這是因為在有奧氏體到馬氏體的相變過程中發生了體積的膨脹，所以一部分奧氏體受到周圍馬氏體的附加壓力，失去了長大的條件就保留下來了，所以必定會有殘余奧氏體的存在[9]。從最終狀態下的馬氏體含量可以看出，參數改進后新形成的馬氏體含量比改進前低0.001%左右，這說明兩種不同工藝下母材近縫區的冷卻速度是有少量差異的，但是水平相當，也就是說對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的。

3.3 應力分析

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

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

4 結果驗證

4.1 焊接試驗和檢驗

采用兩種工藝參數完成接頭焊接，焊接過程中熔池穩定、焊縫成形良好。對焊縫進行外觀檢查、超聲波探傷，檢驗結果均滿足核設備標準及設計規范要求。解剖接頭，考察焊接接頭的金相組織和力學性能，其單層雙道焊縫排布整齊規則，焊縫的根部和兩側與母材金屬熔合良好，有清晰的熔合區，彎曲試驗結果滿足要求。焊縫外觀如圖9所示，微觀金相試驗結果如圖10所示。

4.2 產品焊接

使用優化后的后送絲焊接工藝應用于產品制造，焊接工藝評定合格，產品焊接一次合格率100%。

5 結論

（1）采用自動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，并在新型核設備上獲得良好應用。

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

（3）數值模擬結果表明，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，焊接參數適當，并且該工藝在實際工藝評定和產品焊接進行了應用驗證，焊接合格率100%。

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收稿日期：2020-08-04

作者簡介：江國焱（1981— ），男，碩士，高級工程師，主要從事核電主設備制造工藝和技術的研發。E-mail：agzjgy@163.com。