鎳基合金焊接性的研究方法綜述

侯永濤，霍樹斌，，陳佩寅，徐鍇，陳波，郭梟

1.哈爾濱焊接研究院有限公司 黑龍江哈爾濱 150028

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1 序言

由于鎳基合金具有優異的耐高溫性能和卓越的耐腐蝕能力，因此被廣泛應用于航空航天、石油化工、火電及核電等領域，尤其是在核電主設備的制備中有著重要的應用[1，2]。但鎳基合金具有液態金屬黏度大、焊接性差等特點，尤其是熱裂紋敏感性嚴重，在焊接過程中容易產生高溫失塑裂紋（Ductility-Dip Cracking，DDC）和結晶裂紋。作為行業內未完全解決的難題，鎳基合金焊接性的研究及評判方法十分重要，基于此，本文介紹了幾種常用的研究鎳基合金焊接性的試驗方法，并評價了試驗方法的優缺點，同時對鎳基合金焊接性研究方法的發展做出展望。

根據試驗本身的特點，可分為基于外部施加載荷的試驗和自拘束型試驗。

2 基于外部施加載荷的試驗

基于外部施加載荷的試驗是通過在外部施加應力或者應變誘發裂紋的產生，當外部施加的應變超過焊接結構件的塑性時，焊接金屬或母材的熱影響區就會出現熱裂紋。此類試驗的特點是需要特定的儀器設備，并且可以使材料的焊接性高度定量化，可用于研究優化合金成分或某種單一因素對材料焊接性的影響。

2.1 可調拘束試驗

可調拘束試驗是于20世紀60年代，由美國科學家開發的一種定量評估金屬熱裂紋敏感性的方法，其根據焊縫類型的不同可分為橫向可調拘束試驗、縱向可調拘束試驗和點狀可調拘束試驗[3-5]。操作步驟是將試板放置在相關的裝置上，在試板上開始焊接過程中，當進行焊接時，樣品在模具周圍以規定的彎曲速率彎曲，并在焊接過程結束時使用規定半徑的模型彎曲試樣以達到預定的應變，如圖1所示[5]。彎曲模型的半徑r由板厚t和要施加的應變ε決定，三者需滿足以下關系：

圖1 可調拘束試驗原理示意[5]

在試驗結束后可使用低倍顯微鏡測量試樣表面的裂紋長度，并以最大裂紋長度MCL（Maximum Cracking Length）或者裂紋總長度TCL（Total Cracking Length）作為依據來評價合金的焊接性[6]，但利用此試驗進行合金焊接性定量化研究的最佳標準仍缺乏共識。霍樹斌等[7]通過在熔池內放入一個熱電偶進而獲得焊縫的冷卻曲線，經過計算得到臨界應變速率CSR（Critical Strain Rate）來作為評價依據，并認為CSR是一項能夠反映材料焊接性各個影響參數變化的綜合指標，CSR值越大，說明抵抗裂紋的能力也越強，焊接性越好；JOHN N. DuPont和STATHARAS D等[3，5]則利用最大裂紋距離MCD（Maximum Crack Distance）來作為評判依據。MCD指的是平行于焊接路徑的裂紋移動的最大距離，由于MCD不隨所施加應變的增加而增加，因此MCD代表了材料裂紋敏感性的最大區域位置，MCD越小，代表材料的焊接性越好。

可調拘束試驗具有試驗操作簡單、應用范圍廣泛的優點，因此利用此試驗可有效地定量評價鎳基焊接材料的焊接性。自此試驗方法開發以來，已經對原有的試驗進行了大量改進，并且在世界范圍內得到了廣泛的應用，尤其是在鎳基合金結晶裂紋的研究上。但此試驗目前并未形成標準，最佳試驗裝置和一些影響試驗結果的參數，如應變速率、試板規格以及焊接時間等缺少參考依據，同時此試驗的應變量不是連續的，試驗結束后試板容易回彈，從而影響試驗結果。

2.2 熱塑性試驗

熱塑性試驗又叫高溫拉伸試驗，是一種基于Gleeble熱模擬試驗機來測定高溫合金塑性及抗拉強度的試驗方法，因為裂紋通常與材料的塑性耗盡有關，因此金屬材料的高溫塑性通常可以用來表征材料的焊接性[3]。熱塑性試驗主要由加熱試驗和冷卻試驗兩部分組成[8-10]，在加熱過程中大部分材料的塑性會隨著溫度的增加而增加，之后突然下降，如圖2所示。這種塑性的急劇下降與在此溫度下材料開始熔融有關，將材料塑性降為零時的溫度稱為零延展性溫度NDT（Nil Ductility Temperature），此時雖然材料的塑性為零，但其仍然具有一定的強度；繼續加熱便會得到使材料強度為零的溫度點，此溫度點稱為零強度溫度NST（Nil Strength Temperature）；在之后的冷卻過程中，材料的塑性會慢慢恢復，將材料塑性開始恢復的溫度稱為塑性恢復溫度DRT（Ductility Recovery Temperature），這些數據加上斷面收縮率便可判斷材料的焊接性[9]。

圖2 熱塑性特征示意[3]

2.3 STF試驗

STF試驗（Strain-to-Fracture Test）是由美國俄亥俄州立大學學者NISSLEY和LIPPOLD于21世紀初開發，是一種基于Gleeble熱模擬試驗機專門用來量化研究鎳基合金中DDC敏感性的試驗方法[11，12]。DDC即高溫失塑裂紋，是通常發生在固相線以下的開裂現象，具有尺寸微小、難以檢測、潛在危害較大等特點，直至今日仍然是鎳基合金焊接結構中未完全解決的問題[13-15]。之前的研究表明，金屬材料的DDC敏感性可通過塑性下降溫度區間DTR（Ductility-dip Temperature Range）和開裂應變閾值來進行量化[16]，DTR越窄或者應變閾值越大，代表DDC敏感性越低，焊接性越好。而STF試驗是在多個不同溫度點下對試樣施加不同的應力直至開裂，從而確定在每個溫度點下材料的應變閾值（應變閾值：材料發生斷裂所需最小應變），獲取溫度-應變閾值曲線，并通過此曲線獲取試驗材料的DTR和應變閾值，從而達到量化研究材料焊接性的目的。

STF試驗的樣品制備簡單，測試的變量連續且可控，便于研究分析某單一因素的變化對焊接性的影響；可重復性強，可重復試驗排除偶然因素，所得結果人為因素的影響較小。目前研究人員利用該方法對多種鎳基合金進行了DDC敏感性試驗，證明是一種可量化合金DDC敏感性的可靠且可重復的試驗[17，18]。

2.4 PVR試驗

PVR試驗（Programmierter Verformungs Riss Test）也叫平板拉伸試驗，整個試驗過程的最大特點是平板拉伸與焊接過程同時進行，并以出現第一條裂紋的臨界拉伸速度vcr作為衡量焊接性的標準，這是因為vcr與材料的臨界應變速率CSR具有相關性，vcr越大，說明所測樣品的抗裂性越好[19，20]。PVR試驗中出現的裂紋是焊接過程和外部拉伸載荷共同作用的結果，PVR試驗如圖3所示[21]。臨界拉伸速度vcr通過式（2）計算：

圖3 PVR試驗示意[21]

式中vcr——臨界拉伸速度（mm/min）；

a——平板拉伸的加速度（mm/min）；

L1stHC——第一條裂紋出現的距離（mm）；

vW——焊接速度（mm/min）。

PVR試驗旨在評估焊接工藝對熱裂紋的影響，可用于測試母材、焊縫接頭以及熔敷金屬的試樣，允許的焊接工藝、填充金屬、焊接消耗品（保護氣體、藥皮）和焊接參數的變化；并且可以區分DDC、結晶裂紋和液化裂紋，具有復雜性低、可重復性強等優點。根據CAROLIN Fink等[21-23]研究表明，PVR試驗是一種在定量研究鎳基合金焊接性方面，最適合在國際范圍內進行標準化的試驗方法。

3 自拘束型試驗

自約束型試驗不需要外部施加應力，因為應力可以通過受約束的焊接過程產生，其特點是不需要特定的試驗裝置，并且可以模擬真實的焊接條件，但只能定性或者半定量地研究材料的焊接性。自約束型試驗適用于在工程應用方面材料的選擇以及工藝的評定。

3.1 重熔試驗

重熔試驗是在受約束的塊狀樣品表面進行多次重熔，記錄在熱影響區出現的裂紋總長度與其對應的重熔次數，獲得重熔次數與裂紋總長度的關系曲線，并以此來判斷材料的焊接性[24，25]。重熔試驗的裝置（見圖4），其中試樣的尺寸為50mm×40mm×7mm，并沿圖4中所示的紅線焊接在一塊200mm×60mm×6mm的鋼板上，將鋼板夾緊以保證良好的約束。整個裝置位于一個φ300mm、高70mm的圓柱體空間內，這個圓柱體的作用是為了保證整個試驗過程都在氬氣的氣氛中進行。由于氬氣的密度比空氣大，因此在試驗過程中可以保證氬氣分布在整個裝置的底部，防止焊接過程中試樣氧化。52M合金和152合金的重熔試驗結果（見圖5）[24]，從中很容易看出152合金的焊接性更好。

圖4 重熔試驗裝置示意[25]

圖5 兩種不同690鎳基合金重熔試驗結果[24]

重熔試驗具有不需要太多試驗材料、易于實施和更接近實際焊接環境等優點，但缺點也很明顯，例如試驗過程較為繁瑣，在每次重熔后就需要充一次氬氣以保證下次重熔時試樣不會被氧化；另外，由于裂紋需要人工計數，所以試驗結果的人為因素干擾較大。此試驗并不是對每種類型的鎳基合金都敏感，還需要進一步的調查研究來確定此試驗方法的可靠性。

3.2 大厚度裂紋試驗

大厚度裂紋試驗是先在母材上堆焊特定尺寸的大厚度熔敷金屬，然后沿著橫向、縱向分別切片取樣，每個切片大面經過磨床加工后進行PT檢測，然后使用顯像劑使殘留在缺陷中的滲透劑通過毛細作用顯現在表面上，觀察并記錄在切片上的裂紋數量及尺寸，并以此來定量評價材料的焊接性，如圖6所示[7]。

圖6 大厚度裂紋試驗示意[11]

鎳基合金焊材在核電上應用時，其焊接隔離層和密封面堆焊層所需的厚度都比較大，需要進行多層多道堆焊，因此熔敷金屬內部產生的焊接殘余應力較大。在正常條件下焊接時，容易產生裂紋缺陷，而大厚度裂紋試驗模擬了核電工程應用中的大厚度堆焊應力狀態，因此在核電工程應用的材料選擇上是一種有效的評價材料焊接性的方法，具有重要的工程指導意義。

3.3 高拘束窄間隙試驗

為了模擬高約束的焊接環境，McCRACKEN S L和TATMAN J K[26]開發了一種窄間隙高約束的試驗方法，如圖7所示。在窄間隙的凹槽里進行多層多道焊，由于超高的約束使得熔敷金屬內部產生了很大的應力，所以模擬了真實焊接環境中的應力和拘束情況；在焊接過程結束后，與大厚度裂紋試驗類似，需要在特定的位置將其拋開檢查開裂情況，并以此來評價鎳基合金的焊接性。

圖7 窄間隙高拘束試驗[26]

4 結束語

1) 基于外部施加載荷的試驗使用的是小規模的試樣，試驗需要特定的儀器裝置，施加到這些試樣上的應力和應變無法模擬實際的焊接環境，但此類試驗可使鎳基合金焊接性的研究高度定量化，適用于合金成分優化的研究。

2） 自拘束性試驗旨在模擬真實的焊接環境，不需要特定的試驗裝置，但只能定性或半定量的研究材料的焊接性，適用于材料的選擇以及工藝的評定。

3） 焊接性試驗是評估鎳基合金性能的一個重要的方法，其未來發展應將重點放在對已有試驗的優化以及標準化上，而不是開發新的試驗方法。