凸面異形結構ERNiCrFe-7A堆焊層裂紋控制

林方強,蘆麗莉,李詩易,薛謙,柏忠煉,徐少峰

（中國核動力研究設計院，成都 610213）

0 前言

Inconel 690鎳基合金具有優異的高溫強度、耐腐蝕性能和熱穩定性[1-3]，非常契合壓水堆核電站結構材料的需求，不僅廣泛應用于核電站一回路、二回路關鍵設備及其零部件的制造，其配套焊材ENiCrFe-7[4]，ERNiCrFe-7А[5]也越來越多地用于核電站管道系統焊縫維修，在秦山核電I期320MWe機組中，WSI實施的控制棒驅動機構（CRDM）Ω密封焊縫Overlay修復，中國核動力研究設計院實施的穩壓器安全端堆焊維修，堆焊材料均使用了ERNiCrFe-7А焊絲。在不銹鋼、低合金鋼等母材上堆焊鎳基合金，焊接熱裂紋是一種典型的缺陷，有必要開展裂紋控制技術研究，推動相關焊接工藝技術的開發。

該研究以M310核電機組CRDM上部Ω密封焊縫為對象，開展了凸面異形結構ERNiCrFe-7А堆焊試驗，設計了合理的焊接工藝，有效防止堆焊結構發生弧坑裂紋及高溫失塑裂紋（Ductility dip cracking， DDC）等缺陷，為CRDM上部Ω密封焊縫等凸面結構的堆焊工藝技術開發奠定了基礎。

1 試驗材料和方法

試驗母材為Z2CN19-10（控氮）奧氏體不銹鋼，其化學成分見表1。堆焊材料選擇ERNiCrFe-7А，其具有抗晶間應力腐蝕開裂（Intergranular stress corrosion cracking， IGSCC)、穿晶應力腐蝕開裂（Transgranular stress corrosion cracking， TGSCC）及一回路水應力腐蝕開裂（Primary water stress corrosion cracking， PWSCC）的能力，且與母材Z2CN19-10有很好的相容性，化學成分見表2。

表2 ERNiCrFe-7A鎳基合金焊絲化學成分（質量分數,%）

使用ER308L不銹鋼焊絲進行凸面異形結構制備，經焊后檢驗合格的試驗件如圖1所示。堆焊方法為自動鎢極氬弧焊，堆焊材料為φ1.0 mm的ERNiCrFe-7А焊絲，堆焊位置為橫焊。

圖1 凸面異形結構試驗件

2 ERNiCrFe-7А裂紋敏感性

為了解決DDC的問題，研究人員在Inconel 52的基礎上，添加少量Nb，開發出了Inconel 52M，即ERNiCrFe-7А。相比于Inconel 52，ERNiCrFe-7А的DDC敏感性降低，但是并未徹底解決，可以通過進一步增加Nb和Mo元素含量來降低DDC敏感性，然而，Nb和Mo得增加，焊縫金屬凝固過程中成分偏析加劇，容易在枝晶間形成低熔點共晶相，從而引起偏析裂紋，如凝固裂紋和液化裂紋[6-8]。因此，目前國內使用的核級鎳基焊材主要是 Inconel 52 和 Inconel 52M。

ERNiCrFe-7А屬于固溶強化型鎳基合金，其焊接性的突出問題之一是低熔點共晶體和各種合金元素析出相導致的熱裂紋，包括結晶裂紋、液化裂紋及DDC等。該研究母材Z2CN19-10屬于鉻鎳奧氏體型不銹鋼，與鎳基合金的膨脹系數差異較大，在同等焊接熱輸入條件下，熱膨脹和收縮的尺寸不同，容易產生較大的熱應力。另外，凸面異形結構特殊、約束強，釋放應力能力較差，堆焊焊縫很容易產生裂紋，尤其是弧坑裂紋及DDC。

2.1 弧坑裂紋敏感性

在管道焊接過程中，弧坑裂紋是一種常見的焊接缺陷，往往發生在焊縫中途熄弧和重新焊接引弧處。在焊縫金屬凝固結晶的后期，低熔點共晶往往被排擠在柱狀晶體交遇的中心部位，形成所謂液態薄膜，這時焊縫受到拉伸應力作用，往往會使這層富含雜質的液態薄膜開裂，形成位于焊縫收弧中心的弧坑裂紋[9]。

液態薄膜的形成主要與焊縫金屬成分相關。焊縫在形成過程中，收弧處聚集了一部分雜質及低溶成分，凝固時不易達到平衡條件允許的成分均勻性，導致元素成分偏析。焊接過程中引入外部雜質元素、冷卻速度過快等都會加重偏析現象，增加產生裂紋的傾向[10]。焊縫冷卻過程中，焊接熔池及附近的高溫區域受到周圍處于冷態金屬給予的壓應力作用，隨著液態金屬冷卻結晶，收縮焊縫金屬從受壓應力狀態轉為受拉應力狀態[11]。焊接熱應力受到多方面因素的影響，包括焊接材料、焊接工藝參數、焊縫坡口等。焊接工藝參數是影響焊接熱循環、焊接殘余應力的關鍵因素，為防止焊接裂紋的產生，可以采用較小的焊接熱輸入。該研究堆焊焊道結構示意圖如圖2所示，焊道形狀各異，尤其是第一層焊道，從“窄且深”到“寬且淺”交織變化，為了保證焊縫質量，需要焊縫金屬有優良的流動性。

圖2 堆焊焊道示意圖

2.2 DDC敏感性

ERNiCrFe-7А多層多道堆焊過程中，在焊接熱循環作用下，焊縫金屬和熱影響區重熔，在拉應力作用下容易產生高溫液化裂紋。焊接結構重復加熱，在熱影響區的粗晶區存在應力集中，一旦應力松弛所產生的附加變形大于該部位的塑性儲備，很容易引起再熱裂紋，比如鎳基合金焊縫中經常發生的DDC。一般金屬的塑性隨溫度的升高而升高，當溫度接近材料的熔點時，金屬的塑性才會發生急劇下降；但是對于鎳基合金、奧氏體不銹鋼、銅基合金和鈦合金等材料，當溫度達到熔點的0.5～0.8倍時，他們的塑性也會出現一個急劇下降的區域，這個區域就是DDC出現的區域（DTR），如圖3[6]所示。

圖3 DDC裂紋敏感區域

DDC的產生機理十分復雜，受焊縫成分、組織偏析、晶粒生長、晶界滑移析出、焊接工藝等多方面因素的影響。目前，主要的觀點包括晶界滑移和屈服現象導致、枝晶晶粒變形受限導致、高溫處晶界局部應力集中導致等。但是采用合適的合金體系和焊接熱輸入，可以避免 DDC的產生[2，12]。

針對該研究的凸面結構，每一道焊道坡口形式、散熱條件存在差異，焊接熱循環曲線中的峰值溫度、冷卻速度等均可能發生異化，因此，對焊接熱輸入更加敏感，焊接熱輸入偏高將導致焊縫組織過熱、發生裂紋等缺陷，而偏低可能導致焊接熔池難以充分流動鋪展，發生成形不良及焊接未熔合等。

3 弧坑裂紋

開展了不同收弧電壓、收弧衰減時間研究對ERNiCrFe-7А堆焊的影響：設計收弧電壓9 V，10 V和11 V，衰減時間5 s，8 s，10 s和12 s作為對照，重復5次焊接，具體試驗參數及弧坑裂紋研究結果見表3。典型弧坑裂紋形貌如圖4所示。

圖4 典型弧坑裂紋

表3 試驗參數及弧坑裂紋研究結果

從表3可以看出，收弧電壓越大，越容易出現弧坑裂紋。收弧電壓主要影響焊接電弧的長度，收弧電壓越大，電弧長度越大，焊接時擾動更大，對焊接熔池的影響也越大。進一步研究證明，僅僅控制收弧電壓不足以徹底消除弧坑裂紋，因為焊接熔池中的雜質和低溶成分不斷聚集增加，超過了允許閾值后就會導致偏析，進而誘發弧坑裂紋。全面防治過量成分偏析，除了設置適當的焊接電弧，還要減小鎢極伸出長度及提高保護氣體質量等增強保護效果，層道間刷磨焊縫表面，及時清除浮渣等雜質。

從表3還可以看出，衰減時間越長，越不容易發生弧坑裂紋。如果收弧時，電流降低過快，焊接熔池中心快速凝固，而周圍金屬還處于收縮過程，對熔池中心產生拉應力，當拉應力超過熔敷金屬屈服強度時，就會導致弧坑裂紋。這里通過控制衰減時間來達到減緩衰減時焊接電流降低的速度，以抑制弧坑裂紋的產生。

在試驗過程中還發現，在不同位置的焊道，其發生弧坑裂紋的概率有差異，過渡圓滑的焊縫不容易產生弧坑裂紋，而在溝槽及與母材表面接觸較多的焊峰容易產生弧坑裂紋。推斷與不同位置焊縫經歷的熱應力變化過程有關，通過對照試驗研究了焊接順序的影響，確定了“以凸面結構中心為軸對稱堆焊，先上下后中間”的焊接順序，有效降低焊接過程中應力集中的風險，減少了弧坑裂紋的發生。

為防止堆焊過程中發生弧坑裂紋，制定了工藝要點：①減小鎢極伸出長度，電弧電壓（包括收弧電壓）9～10 V；②收弧衰減時間10 s；③合理布置焊接順序：以凸面結構中心為軸對稱堆焊，先上下后中間；④焊道見打磨，清理浮渣等雜質。

4 DDC

基于復驗合格的ERNiCrFe-7А焊材，研究了焊接工藝參數對焊縫金屬DDC的影響。設計焊接峰值電流與焊接速度的參數組，進行正交試驗，堆焊層和熔合區的金相檢驗結果見表4和圖5。

圖5 金相試驗照片

表4 DDC研究結果

焊接熱輸入Q及單位體積生熱率Q/vf：

式中：U為電弧電壓；I為平均電流；vw為焊接速度；vf為送絲速度。

從表4可知，在相同焊接速度下，焊接電流發生變化將可能引起金相檢驗結果差異：D01號～D02號，焊接電流變大；D03號～D04號焊接電流變小，都導致DDC產生；在相同焊接電流下，焊接速度發生變化也可能引起進行結果差異：D01號～D04號，速度變大；D03號～D02號，焊接速度變小，都導致了DDC產生。這表明：焊接電流、焊接速度的協同作用，控制了鎳基合金焊縫的焊接熱循環，影響其DDC敏感性。

為研究該試驗中影響鎳基合金焊縫DDC敏感性的關鍵因素是焊接熱輸入，還是單位體積生熱率，設計D05號對比試驗：基于D01號試驗，調整送絲速度為680 mm/min，D05號試驗的焊接熱輸入與D01號相同，單位體積生熱率與D04號幾乎相同。結果表明：該研究中影響鎳基合金焊縫DDC敏感性的關鍵因素是焊接熱輸入。進一步地，試驗研究確定了可以有效緩解DDC產生的適宜焊接熱輸入范圍，確定了合理的焊接工藝參數，指導堆焊工藝的研發。

5 結論

（1）堆焊過程中控制“液態薄膜”和焊接熱應力可以防止弧坑裂紋。收弧電壓越低，發生弧坑裂紋幾率越低；衰減時間越長，發生弧坑裂紋幾率越低。另外，還需要重視焊接熔池的保護和焊道的清理。

（2）采用合適焊接熱輸入，可以避免ERNiCrFe-7А堆焊過程發生DDC。