緊湊拉伸試樣重組技術基礎研究

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)測核電站反應堆壓力容器（reactor pressure vessel，RPV）中子照射脆化程度，在RPV內部附近放置了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堆壓力容器內繼續(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力最大差異為 390 MPa，其對重組前后 CVN 沖擊試驗數據沒有明顯影響[11]。張新平和史耀武研究結果表明，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 沖擊試驗數據沒有明顯影響[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制疲勞裂紋的斷裂韌性試樣能夠滿足在下部轉變溫度區(qū)進行斷裂韌性試驗的強度要求，但應用較少。試樣重組技術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，以確保重組試樣獲得材料力學性能參數，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）進行試樣重組基礎研究，從已測試的斷裂試樣中切出可重復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進行試樣重組，完成重組前后試樣基礎力學性能測試，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性能變化。在開展重組試樣室溫斷裂韌性試驗時利用數字圖像相關技術獲取試驗過程中試樣表面應變演化規(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，已確定重組技術的有效性。

1 重組試樣制備

1.1 焊接夾具設計

本次焊接重組材料為國產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，需設計相應的工裝對試樣進行壓緊，圖1為設計的焊接工裝。

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。根據不同的起收弧位置，設計了兩種焊接順序。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，適合該類型結構的焊接。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，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

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RPV鋼鍛件，重組材料為斷裂韌性試驗殘陽上截取可重復利用部分。試樣經機加工、金相砂紙粗磨、細磨、機械拋光，在Axiovert數碼顯微鏡下觀察進行夾雜物檢驗，然后在另一個面重復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。觀察結果顯示整體熔合良好，焊縫內未發(fā)現氣孔，未發(fā)現裂紋、夾渣等焊接缺陷。

圖4為重組材料在放大倍數為200倍和500倍下的金相組織。在光學顯微鏡下，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示出重組材料兩側熱影響區(qū)范圍，左側熱影響區(qū)寬度為672.12 μm，右側熱影響區(qū)寬度為677.45 μm。由金相檢驗結果可知，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。其結果如圖7所示。

圖7 維氏硬度測試結果

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，試樣構型尺寸如圖8所示。重組后試樣經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據采集。

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變場，試驗過程中采用德國GOM公司三維光學動態(tài)全場應變測試系統(tǒng)[13-14]ARAMIS，測量試樣表面應變。

3.2 試驗結果

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果對比

采用ARAMIS系統(tǒng)測量了試樣表面應變場，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?？擅黠@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果無影響。

圖10 基于DIC獲得重組試樣表面應變云圖

4 結果與討論

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，形成明顯材料力學性能不連續(xù)。對應于圖10(a)和圖10(b)顯示的裂紋尖端應變場，焊縫位置材料及力學性能不連續(xù)，導致在焊縫處塑性區(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 結束語

本文基于緊湊拉伸試樣對試樣重組技術進行研究，設計重組試樣焊接夾具，探究適用于RPV材料重組技術的電子束焊接參數。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與完整試樣具有等同的性能特征值。該技術可有效解決RPV輻照監(jiān)督樣品不足的工程實際難題。