脈沖TIG 焊FeCrAl 合金板材焊接接頭的組織及性能

董浩，王恒霖，商鑫亭，王鐵軍，曹睿，閆英杰

(1.中國鋼研科技集團有限公司，安泰科技股份有限公司，北京 100081；2.河北省熱等靜壓技術創(chuàng)新中心，河北 涿州 072750；3.蘭州理工大學，有色金屬先進加工與再利用省部共建國家重點實驗室，蘭州 730050)

0 前言

采用氧化物彌散強化（Oxide dispersion strengthened，ODS）的FeCrAl 合金，通過粉末冶金技術向其中添加穩(wěn)定的Y2O3稀土氧化物顆粒[1]。在不影響材料本身的組織及耐腐蝕性的同時，可以顯著提高材料的室溫及高溫力學性能[2]。因為FeCrAl 本身具備優(yōu)異的抗氧化及耐腐蝕性，使得FeCrAl 合金焊接結構常應用在高溫、強腐蝕性的環(huán)境中，所以在長時間的服役過程中，需保證焊接結構的完整性[3]。核電反應堆的包殼管材料以及反應堆的結構材料中的Cr 含量大致在9%～15%，但是隨著Cr 含量的升高材料的抗腐蝕能力提高，F(xiàn)eCrAl 合金本身整體的脆性增加，嚴重降低材料的高溫性能。通常含20%以上Cr 含量的FeCrAl合金大部分應用于電加熱領域，少部分應用在輕水反應堆中[4-6]。目前應用在輕水反應堆中的ODS 合金材料的焊接主要以固相焊接方法為主，高能束焊接方法為輔[7]，可以有效避免焊縫中氧化物顆粒發(fā)生明顯的聚集長大，同時保證焊接接頭中有一定數(shù)量的氧化物顆粒分布，避免在服役過程中由焊縫中氧化物顆粒的缺失或聚集導致焊接接頭的力學性能急劇下降[8-9]。針對電加熱領域及輕水反應堆中的復雜焊接結構及不同接頭類型的需求，研究傳統(tǒng)的TIG 焊接方法也是十分必要的。為滿足不同焊接結構和接頭類型的需求，該文研究了TIG 焊接FeCrAl 合金的組織及性能。

1 試驗材料和方法

首先使用Ar+N2混合進行氣霧化制備FeCrAl合金板材所需的合金粉末，然后通過粉末冶金技術制備成FeCrAl 合金錠材再經(jīng)過多道次軋制，最終制成4.5 mm 厚的FeCrAl 合金板材，表1 為FeCrAl 合金板材的具體化學成分。

表1 FeCrAl 合金板材的化學成分（質量分數(shù)，%）

在焊接大尺寸板材、較長焊縫時，焊接過程中將板材翻轉再進行另外一面焊接，這種方法使焊接的工作效率降低、不利于焊接質量的穩(wěn)定性且操作難度較大。針對板厚大于4 mm 的板材可以采用預制坡口，然后使用小焊接熱輸入進行多層多道焊接。采用小熱輸入可以減小晶粒長大的驅動力，從而得到更加細小的焊縫組織，于是進行P-TIG-01 焊接試驗。焊接試板尺寸為80 mm×40 mm×4.5 mm，預制V形坡口，單側坡口角度為30°，預留1 mm 鈍邊防止產(chǎn)生燒穿缺陷，坡口幾何尺寸如圖1a 所示，坡口實物圖如圖1b 所示。

圖1 P-TIG-01 焊接試樣的坡口形式

2 試驗結果與分析

2.1 焊縫及熱影響區(qū)熱處理前后的組織

與普通直流或者交流焊接相比，采用脈沖電流焊接有利于細化焊縫晶粒，優(yōu)化焊縫的組織結構，增加等軸晶的數(shù)量，細化焊接接頭的晶粒尺寸。脈沖電流焊接的焊縫與其焊接時的熱輸入有關。脈沖焊接時的電流波形是在一定的基值電流基礎上以一定的周期向外輸出脈沖電流。

基值電流主要的作用是對母材（BM）進行預熱，而脈沖電流階段的熱輸入才是真正形成熔池實現(xiàn)焊接的。短時的大電流脈沖形成的熔池可以快速凝固，基值電流的預熱作用有利于減小焊接過程中熔池的溫度梯度，在較小的溫度梯度下，焊縫（WZ）的金屬具有較大的過冷度從而更容易形成等軸晶組織。在焊接過程中進行熔池振蕩使正在凝固的晶粒破裂，此外還能促使熔池內的對流傳熱[10]。P-TIG-01 接頭試樣1 顯微組織如圖2 所示。圖2a 中焊接接頭的組織以柱狀晶為主。圖2e～圖2g 為焊接接頭的第一道WZ 組織，基本全部為等軸晶組織，這種等軸晶組織對焊接結構的力學性能是有益的。經(jīng)統(tǒng)計，焊態(tài)PTIG-01 接頭WZ 平均晶粒尺寸為139 μm，柱狀晶組織占比為74.2%，熱影響區(qū)（HAZ）平均晶粒尺寸為44 μm。主要是由于焊接過程中基值電流相當于對BM 進行預熱處理，減小結晶前沿的溫度梯度，使得焊接熔池的傳熱較為均勻，增加熔池凝固結晶過冷效果進而細化WZ 晶粒尺寸，再者外加焊接電磁場進行WZ 熔池攪拌，皆基于熔池振蕩理論進行WZ 組織調控[10]。通常電流脈沖引起焊接電弧力發(fā)生變化，對熔池有振蕩作用，使得凝固過程中的枝晶破碎，促進了等軸晶的形成和細化。

圖2 P-TIG-01 接頭的宏觀形貌和顯微組織

試樣2 在850 ℃保溫60 min，然后進行淬火處理后的組織如圖3 所示。采用Nano Measurer 1.2 軟件對焊接接頭WZ 及HAZ 的晶粒尺寸進行統(tǒng)計，將其長軸與短軸的平均值用于表示每個晶粒的尺寸，長軸與短軸差值越小，越趨于等軸晶，反之則為柱狀晶組織。

圖3 P-TIG-01-PWHT 接頭的宏觀形貌和顯微組織

P-TIG-01 接 頭 試 樣1 與P-TIG-01-PWHT 接 頭 試樣2 的晶粒尺寸對比見表2，焊后整體焊接接頭的WZ 及HAZ 晶粒尺寸減小，經(jīng)統(tǒng)計熱處理后試樣2的WZ 平均晶粒尺寸為134 μm。

P-TIG-01 接頭試樣1 與P-TIG-01-PWHT 接頭試樣2 中柱狀晶和等軸晶的百分比見表3。柱狀晶組織占比降低為66.8%，HAZ 平均晶粒尺寸為38 μm。這是因為在較大晶粒附近通過再結晶得到細小的再結晶晶粒，進而細化焊接接頭的晶粒尺寸。在較大晶粒附近晶粒取向較為單一，為再結晶提供足夠的成分、能量起伏，并且再結晶的晶粒通常具有各向異性的特征。

表3 P-TIG-01 與P-TIG-01-PWHT 接頭晶粒百分比（%）

如圖3b、圖3d、圖3e、圖3g 所示的HAZ 由原始BM 的軋制態(tài)的條狀組織組成，熱處理后變?yōu)榱说容S組織。在熱處理的過程中，首先在較大的晶粒內部出現(xiàn)細小的晶粒，隨著時間的不斷累積，新出現(xiàn)的細小的晶粒相繼生成并不斷長大，直至由軋制態(tài)的細長的纖維狀晶粒完全轉變成新的等軸晶組織，使得最終的平均晶粒尺寸變小。由于形變較大導致FeCrAl合金板材的形變儲能變大，這種形變儲能主要由彈性應變和畸變能組成，其中畸變能主要由空位和位錯組成。由于經(jīng)過軋制的金屬塑性變形較大，其自由能升高，在熱力學上處于不穩(wěn)定的亞穩(wěn)態(tài)，具有向變形前穩(wěn)定態(tài)轉變的趨勢。焊接過程中熔池屬于非平衡凝固，組織處于不穩(wěn)定狀態(tài)。在常溫下原子的擴散能力較小，經(jīng)過熱處理加熱，保溫時間的延長過程賦予原子能量使原子的驅動力變大，從高能位置向低能位置偏移，使焊接過程產(chǎn)生的內應力釋放，整體從亞穩(wěn)態(tài)向穩(wěn)定態(tài)轉變，最終表現(xiàn)為焊接接頭的組織和性能發(fā)生變化。轉變的主要驅動力為金屬內部的能量降低，這一過程通常是在熱處理的過程中的一個自發(fā)的過程，最終使得焊接接頭組織變得均勻穩(wěn)定。

2.2 焊縫氧化物顆粒的分布情況

P-TIG-01-PWHT 接頭WZ 氧化物顆粒分布如圖4所示。圖4a 為P-TIG-01-PWHT 接頭WZ 氧化物顆粒的分布，WZ 整體氧化物顆粒分布均勻。圖4b 為WZ局部的氧化物顆粒放大，可以看出WZ 中的氧化物顆粒由原始的納米級氧化物轉變?yōu)槠骄叽? μm 的氧化物顆粒，說明在焊接過程中發(fā)生了氧化物顆粒的聚集，使得焊后氧化物顆粒尺寸變大。并且局部區(qū)域有亞微米級的孔洞出現(xiàn)，因為氧化物顆粒是不能被液態(tài)的WZ 金屬潤濕的[11]，所以在金相制備及腐蝕的過程中，氧化物顆粒從基體中脫落最終造成孔洞。

圖4 P-TIG-01-PWHT 接頭WZ 氧化物顆粒分布

2.3 拉伸性能與斷口形貌

對P-TIG-01-PWHT 試樣2 進行力學性能測試，測試結果如圖5 所示。P-TIG-01-PWHT 試樣2 的最大抗拉強度值為502 MPa，平均抗拉強度值為499 MPa。P-TIG-01-PWHT 試樣2 的力學性能為FeCrAl 合金板材抗拉強度值的65.4%。主要原因是在制備P-TIG-01-PWHT 試樣2 時采用了脈沖電流。在焊接熱輸入相同的情況下，由于脈沖電流的基值電流對母材的預熱作用及脈沖作用攪拌熔池，使得在焊縫凝固的過程中，溫度梯度變小，焊接接頭的晶粒尺寸變小，提高了整個焊接接頭的力學性能。P-TIG-01-PWHT 接頭的拉伸斷口側面如圖6 所示，可以發(fā)現(xiàn)焊接接頭的斷裂位置為焊縫中部。

圖6 P-TIG-01-PWHT 接頭斷口側面宏觀形貌

如圖7 所示，P-TIG-01-PWHT 接頭斷裂模式為脆性斷裂，局部表現(xiàn)出河流狀花樣。

圖7 P-TIG-01-PWHT 接頭的拉伸斷口

P-TIG-01-PWHT 接頭拉伸斷口元素分布如圖8 所示，斷口的解理面放大可以看出有大量的氧化物顆粒聚集，這些聚集的氧化物顆粒富Y，Zr，O 元素。在焊接高溫的作用下，焊縫金屬中的氧化物顆粒在熔化的液態(tài)焊縫金屬中進行重新分布發(fā)生聚集，說明脈沖電流僅僅可以改變焊縫金屬的組織，并不能改變氧化物顆粒的分布狀態(tài)。

3 結論

（1）通過脈沖TIG 焊FeCrAl 合金板時，得益于小焊接熱輸入以及脈沖電流的加入，使得凝固過程中的枝晶破碎，可以明顯細化焊縫的晶粒尺寸，降低柱狀晶組織的占比。

（2）經(jīng)過熱處理后，焊接接頭焊縫的平均晶粒尺寸減小，柱狀晶組織占比降低，有利于提高焊接接頭的力學性能。熱處理后焊接接頭最大抗拉強度值為502 MPa，達到母材強度的65.4%。

（3）焊接過程中發(fā)生了氧化物顆粒聚集，導致焊后焊縫的氧化物顆粒尺寸變大。說明脈沖電流僅僅可以改變焊縫金屬的組織，并不能改變氧化物顆粒的分布狀態(tài)。