CLAM-316L TIG焊接接頭顯微組織特征分析

張俊鈺，吳慶生，黃 波，李春京，黃群英，FDS團隊

(1.中國科學技術大學，安徽 合肥 230027；2.中國科學院核能安全技術研究所，中國科學院中子輸運理論與輻射安全重點實驗室 安徽 合肥 230032)

CLAM-316L TIG焊接接頭顯微組織特征分析

張俊鈺1,2，吳慶生2，黃 波2，李春京2，黃群英2，FDS團隊

(1.中國科學技術大學，安徽 合肥 230027；2.中國科學院核能安全技術研究所，中國科學院中子輸運理論與輻射安全重點實驗室 安徽 合肥 230032)

采用309焊絲對中國低活化馬氏體(CLAM)鋼和316L不銹鋼進行TIG焊，并利用光學顯微鏡、掃描電鏡和維氏硬度儀分析對接接頭的微觀組織和顯微硬度分布。結果表明，CLAM-316L TIG焊接頭按照顯微組織特征可分為六個區域，即CLAM鋼母材、CLAM鋼熱影響區、CLAM鋼熔合區、焊縫金屬、316L熱影響區、316L母材。CLAM鋼熔合區顯微組織為淬火馬氏體；焊縫金屬區為粗大的胞狀枝晶組織；316L熱影響區和母材均為奧氏體組織，熱影響區晶粒尺寸有明顯長大。焊態接頭整體硬度分布均勻，只有CLAM鋼熔合區硬度較高。

聚變堆；CLAM鋼；異種鋼焊接；TIG焊

依據國際熱核聚變實驗堆(ITER)目前設計，與測試包層模塊(TBM)冷卻劑進出口連接的管路系統將使用316L鋼[1]，因此，TBM結構材料與316L鋼之間焊接質量將是影響TBM系統安全穩定運行的重要因素。鎢極惰性氣體保護(TIG)焊因其具有可實現全位置焊接的優點，成為TBM與配套管路系統進行裝配連接的優選焊接方式。

國際上EUROFER鋼、F82H鋼等低活化鋼異種材料的焊接性能均已開展研究[2-7]。EUROFER鋼的異種材料焊接研究重點在于研究其與鎢、ODS鋼之間的焊接性能[2, 3]。基于國際聚變材料輻照裝置(IFMIF)工程應用需求，F82H與316L的焊接性能研究涉及了包括TIG焊[4]、電子束焊[5]、激光焊[6]、攪拌摩擦焊[7]等多種焊接方法的研究。

中國低活化馬氏體(CLAM)鋼[8]作為FDS系列聚變堆包層[9-11]和中國ITER-TBM的結構材料[12]，其成分控制[13]、服役行為[14-17]、模塊加工[18]等各方面均已進行了系統研究[19]。經長期的研究發展，通過采用優化的焊接工藝[20]、合理的焊后熱處理工藝[21, 22]，可獲得強韌性匹配性良好的CLAM-CLAM焊接接頭。

本研究開展了CLAM鋼異種材料TIG焊接性能研究，獲得了CLAM-316L異種鋼TIG焊接接頭的顯微組織特征，為將來TBM及其相關部件在ITER中的高質量裝配提供技術支持。

1 實驗材料及方法

1.1 實驗材料

本實驗CLAM鋼選用HEAT 1105批次，焊前經調質處理(980℃淬火+760℃回火)。焊接試板尺寸為(100×50×14.6)mm，長度方向沿軋制方向，并開設60°V型坡口。焊接前樣品表面需在磨床上磨平，用酒精、丙酮超聲波清洗，以去除油污。焊接前實驗材料如圖1所示。焊接填充材料選擇309奧氏體不銹鋼焊絲。材料成分含量見表1。

圖1 焊前實驗材料及加工尺寸示意圖Fig.1 Schematic sketch of the V groove

表1 母材和焊材的化學成分(wt%)

1.2 實驗方法

采用RILAND WSE-200型焊機施焊，保護氣體為純氬氣，純度>99.99%。焊接工藝參數為：焊接電流100 A，焊接電壓25 V，保護氣體流量10 L/min，焊接速度50 mm/min。

顯微組織觀察采用蔡司研究級倒置光學顯微鏡和蔡司∑IGMA掃描電子顯微鏡(配備能譜)進行。為更好地顯示顯微組織形貌，微觀組織金相樣品制備經過研磨、拋光、腐蝕等過程。

顯微硬度測試方法為首先找出焊縫中心點，依次沿CLAM鋼母材—焊縫金屬—316L母材方向依次進行硬度測試，壓痕間距為0.2 mm。測試壓力為2.94N，時間為10s。

2 實驗結果及分析

2.1 焊接接頭的顯微組織分析

CLAM鋼與316L鋼、309焊絲的成分、組織和性能差別較大，這種結構和組織的不均勻性將使得CLAM-316L TIG焊接接頭具有許多特征，需要進行分析研究。

焊接接頭CLAM側顯微組織如圖2所示。由圖可見，CLAM鋼側熱影響區內接近母材的位置出現明顯的熔合區。焊接時此區的金屬處于過熱狀態，晶粒嚴重長大，快速冷卻之后形成粗大組織。這與Ladislav Falat等人對T91/TP316H焊接接頭的研究結果一致[23]。EDS測試結果顯示，該區域不含Ni元素，表明該區域由CLAM鋼母材產生(見圖3)。焊接過程中該區域微觀行為十分復雜，焊縫與母材出現不規則結合。此區的范圍雖然很窄，但由于在化學成分和組織性能上都有較大的不均勻性，所以對焊接接頭的強度、韌性都有較大的影響。Joseph A等人的研究表明，熔合區容易產生焊接裂紋，從而使接頭失效[24]。因此，未來將對熔合區的組織和性能進行優化。

圖2 CLAM鋼與焊縫金屬界面顯微組織Fig.2 Microstructure of the CLAM interface with weld metal

圖3 CLAM鋼與焊縫金屬界面EDS測試Fig.3 EDS analysis of the CLAM interface with weld metal

焊縫金屬顯微組織如圖4所示。焊縫金屬中心區域結晶形態屬于胞狀樹枝晶。焊縫金屬結晶形態決定于焊接熔池凝固過程中液-固界面前方液態金屬過冷度的分布情況，同時還受焊接速度、焊接電流的影響。由于焊縫金屬凝固過程中，溫度梯度方向垂直于熔合線指向焊縫中心，所以胞狀樹枝晶結晶方向亦趨向于該方向。

圖4 焊縫金屬顯微組織Fig.4 Microstructure of the weld metal

焊接接頭316L鋼側顯微組織如圖5所示。由圖可見，316L鋼側并未出現與CLAM鋼側類似的熔合區。對距界面100 μm隨機選取區域進行晶粒尺寸測試，平均晶粒尺寸為29.51 μm(母材平均晶粒尺寸為25.93 μm)。可見，受焊接熱循環影響，靠近焊縫區域晶粒長大明顯，然而熱影響區與基體界限不易確定。

圖5 焊縫金屬與316L界面顯微組織Fig.5 Microstructure of the 316L interface with weld metal

通過以上分析可知，CLAM-316L TIG焊對接接頭不同區域顯微組織有一定差異，可將其分為如圖6所示的六個區域。

圖6 CLAM-316L TIG接頭結構示意圖Fig.6 Schematic sketch of CLAM-316L TIG joint

2.2 焊接接頭的力學性能分析

對焊態接頭各區域進行顯微硬度測試，結果如圖7所示。由圖可見，接頭整體硬度分布均勻，只有CLAM鋼熔合區淬火馬氏體組織硬度較高。熔合區平均硬度為389 HV。

CLAM鋼熔合區由于焊接過程中冷卻速度快，碳元素來不及擴散，致使該區域形成淬火組織，硬度明顯提高。

圖7 焊態接頭顯微硬度測試結果Fig.7 Vickers hardness of welded sample without post-weld heat treatment(a) 焊縫截面硬度分布圖;(b) CLAM鋼側熔合線兩側硬度對比

3 結論

本文對CLAM鋼與316L鋼異種鋼TIG焊接接頭的顯微組織及力學性能進行了測試分析。研究結果總結如下：

1) CLAM-316L TIG焊接頭按照顯微組織特征可分為六個區域，即CLAM鋼母材、CLAM鋼熱影響區、CLAM鋼熔合區、焊縫金屬區、316L熱影響區、316L母材。

2) CLAM鋼熔合區為淬火馬氏體組織；焊縫金屬區為胞狀枝晶組織；316L熱影響區為奧氏體組織。

3) CLAM-316L TIG焊接頭整體硬度分布均勻，只有CLAM鋼熔合區硬度較高。熔合區平均硬度為389HV。

未來將對焊接參數和工藝進一步優化，同時開展焊后熱處理工藝探索研究，以改善CLAM-316L焊接接頭的綜合性能，為TBM及其相關部件在ITER中的高質量裝配提供技術支持。

[1] Koizumi K, Nakahira M, Itou Y, Tada E, Johnson G, Ioki K, et al.Design and development of the ITER vacuum vessel[J]. Fusion Eng. Des. 41 (1998) 299-304.

[2] Hamilton NR, Robbie MO, Wood J, Galloway A, Katramados I, Milnes J. The challenges in predicting the fatigue life of dissimilar brazed joints and initial finite element results for a tungsten to EUROFER97 steel brazed joint[J]. Fusion Eng. Des. 86 (2011) 1642-1645.

[3] Commin L, Rieth M, Widak V, Dafferner B, Heger S, Zimmermann H, et al. Characterization of ODS (Oxide Dispersion Strengthened) Eurofer/Eurofer dissimilar electron beam welds[J]. J. Nucl. Mater. 442 (2013) S552-S556.

[4] Furuya K, Ida M, Miyashita M, Nakamura H. Mechanical properties of F82H/316L and 316L/316L welds upon the target back-plate of IFMIF[J]. J. Nucl. Mater. 386-388 (2009) 963-966.

[5] Nogami S, Hara N, Nagasaka T, Hasegawa A, Muroga T. Effect of PWHT on the mechanical and metallographical properties of a dissimilar-metal weld joint of F82H and SUS316L steels[J]. Fusion Sci. Technol. 60 (2011) 334-338.

[6] Serizawa H, Mori D, Shirai Y, Ogiwara H, Mori H. Weldability of dissimilar joint between F82H and SUS316L under fiber laser welding[J]. Fusion Eng. Des. 88 (2013) 2466-2470.

[7] Fujii H, Chung YD, Sun YF, Tanigawa H. Interface shape and microstructure controlled dissimilar friction stir lap welded steels[J]. Science and Technology of Welding and Joining. 18 (2013) 279-286.

[8] Yu JN, Huang QY, Wan FR. Research and development on the China low activation martensitic steel (CLAM)[J]. J. Nucl. Mater. 367 (2007) 97-101.

[9] Wu Y. Conceptual design activities of FDS series fusion power plants in China[J]. Fusion Eng. Des. 81 (2006) 2713-2718.

[10] Chen YX, Wu YC. Conceptual study on high performance blanket in a spherical tokamak fusion-driven transmitter[J]. Fusion Eng. Des. 49-50 (2000) 507-512.

[11] Wu YC, Zhu XX, Zheng SL, Ke Y, Huang QY, Liu XP, et al.Neutronics analysis of the dual-cooled waste transmutation blanket for the FDS[J]. Fusion Eng. Des. 63-64 (2002) 133-138.

[12] Wu Y. Design analysis of the China dual-functional lithium lead (DFLL) test blanket module in ITER[J]. Fusion Eng. Des. 82 (2007) 1893-1903.

[13] Huang QY, Wu YC, Li JG, Wan FR, Chen JL, Luo GN, et al.Status and strategy of fusion materials development in China[J]. J. Nucl. Mater. 386-388 (2009) 400-404.

[14] Peng L, Huang QY, Li CJ, Liu SJ. Preliminary analysis of irradiation effects on CLAM after low dose neutron irradiation[J]. J. Nucl. Mater. 386-88 (2009) 312-314.

[15] Wu YC, Huang QY, Zhu ZQ, Gao S, Song Y. R&D of Dragon Series Lithium-lead Loops for Material and Blanket Technology Testing[J]. Fusion Sci. Technol. 62 (2012) 272-275.

[16] Huang Q, Li J, Chen Y. Study of irradiation effects in China low activation martensitic steel CLAM[J]. J. Nucl. Mater. 329-333, Part A (2004) 268-272.

[17] Huang Q, Gao S, Zhu Z, Zhang M, Song Y, Li C, et al. Progress in compatibility experiments on lithium-lead with candidate structural materials for fusion in China[J]. Fusion Eng. Des. 84 (2009) 242-246.

[18] Li CJ, Huang QY, Wu QS, Liu SJ, Lei YC, Muroga T, et al.Welding techniques development of CLAM steel for Test Blanket Module[J]. Fusion Eng. Des. 84 (2009) 1184-1187.

[19] Huang QY, Li CJ, Wu QS, Liu SJ, Gao S, Guo ZH, et al.Progress in development of CLAM steel and fabrication of small TBM in China[J]. J. Nucl. Mater. 417 (2011) 85-88.

[20] Jiang ZZ, Ren LT, Huang JH, Ju X, Wu HB, Huang QY, et al. Microstructure and mechanical properties of the TIG welded joints of fusion CLAM steel[J]. Fusion Eng. Des. 85 (2010) 1903-1908.

[21] Wu QS, Zheng SH, Liu SJ, Li CJ, Huang QY. Effect of post-weld heat treatment on the mechanical properties of electron beam welded joints for CLAM steel[J]. J. Nucl. Mater. 442 (2013) 512-517.

[22] Zheng SH, Wu QS, Huang QY, Liu SJ, Han YY. Influence of different cooling rates on the microstructure of the HAZ and welding CCT diagram of CLAM steel[J]. Fusion Eng. Des. 86 (2011) 2616-2619.

[24] Joseph A, Ramesh AS, Jayakumar T, Murugan N. Failure analysis of a dissimilar weld joint in a steam generator[J]. Praktische Metallographie-Practical Metallography. 38 (2001) 667-679.

Microstructure properties of CLAM/316L TIG welded joint

ZHANG Jun-yu1,2，WU Qing-sheng2，HUANG Bo2，LI Chun-jing2，HUANG Qun-ying2，FDS Team

(1. University of Science and Technology of China, Hefei of Anhui Prov. 230027, China；2.Key Laboratory of Neutronics and Radiation Safety, Institute of Nuclear Energy Safety Technology, Chinese Academy of Sciences, Hefei of Anhui Prov. 230032, China)

The CLAM-316L dissimilar metal joints were welded by Tungsten Inert Gas (TIG) welding using 309 austenite steel as filler material. The microstructure and microhardness distribution of the butt welds were investigated. According to the microstructure characteristics, the joint can be divided into six regions, CLAM base metal (BM), CLAM heat affected zone (HAZ), CLAM fusion zone (FZ), weld metal (WM), 316L HAZ, 316L BM. The CLAM BM was composed of quenched martensite. The WM consisted of cellular dendrite. Both the HAZ and BM of 316L steel were composed of austenite, but the grain size increasing occurred in the 316L HAZ. The overall hardness distribution in the transverse direction of the joints was homogeneous, except the CLAM FZ with a higher hardness.

Fusion reactor; CLAM steel; Dissimilar steel joining; TIG welding

2016-07-20

國家自然科學基金(2013GB108005，2014GB112003)，中科院知識創新項目(KJCX2-YW-N35)

張俊鈺(1987—)，男，山東淄博人，博士研究生，現主要從事反應堆結構材料焊接性能研究工作

吳慶生：qingsheng.wu@fds.org.cn

TG407

A

0258-0918(2016)04-0492-05