哈氏合金激光填絲焊與氬弧填絲焊力學性能分析

楊立峰，于京令，程 波，馬廣義，吳東江

（1.哈爾濱動力電氣裝備有限責任公司，黑龍江哈爾濱150066；2.大連理工大學機械工程學院，遼寧 大連116023）

0 前言

鎳基合金作為高溫合金和耐蝕合金在航空航天、核工程、能源動力、海洋工程和石油化工等領域起到了至關重要的作用。其中Hastelloy C-276是一種耐蝕和耐熱沖擊性能良好的鎳基合金[1]，我國的非能動大型先進壓水堆核電機組中屏蔽式核主泵屏蔽套是由Hastelloy C-276薄板焊接成形，其主要作用為防止反應堆冷卻劑接觸定子和轉子部件[2]，設計要求屏蔽套工作中能夠承受極端使役條件，因此在控制焊縫形貌的前提下，需要保證焊接接頭具有良好的力學性能。

核主泵屏蔽套套體板厚不超過0.7 mm，直徑大于600 mm，具有大徑厚比的特點，且直徑精度要求高，這對屏蔽套的焊接成形提出了較高的要求，工藝復雜且難度極大。目前屏蔽套焊接方式主要采用從美國引進的氬弧填絲焊接工藝，但氬弧焊焊接接頭焊縫寬、顯微組織粗大且存在熱影響區，不利于屏蔽套長期使役。

目前，國內外學者針對Hastelloy C-276氬弧焊接過程的相組織演變、微觀組織形成等做了大量工作[3]，證實了Hastelloy C-276氬弧焊接過程中易生成脆性相，并且較大的熱輸入量極易導致微觀組織粗大、變形較大等問題，一定程度上影響焊接接頭的耐腐蝕性和力學性能[4-7]。為了解決氬弧焊接技術存在的問題，考慮到激光焊接熱輸入量小、可細化焊縫組織等特點，大連理工大學吳東江教授提出屏蔽套激光焊接工藝，針對Hastelloy C-276激光自熔焊接工藝進行了大量探索[8-9]，同時也評價了焊接接頭的耐腐蝕性能和力學性能[10]。但屏蔽套體長超過3000mm，在自熔焊接中存在負余高的風險，會影響屏蔽套的整體使用性能，因此在激光自熔焊接的基礎上發展了激光填絲焊接工藝。

本研究主要對比氬弧填絲焊接和激光填絲焊接接頭的力學性能。對0.7 mm厚的Hastelloy C-276薄板進行焊接，通過滲透和射線檢測分析激光焊和氬弧焊的焊接接頭質量，評價焊接接頭的拉伸及彎曲性能，并借助XRD物相分析等手段分析不同方式下焊接接頭力學性能異同的原因，以期為屏蔽套的焊接工藝提供技術參考。

1 實驗材料和方法

實驗材料為0.7mm厚的精軋Hastelloy C-276薄板和直徑0.5 mm的ERNiCrMo-4焊絲，化學成分見表1。利用精密剪板機制作成300 mm×100 mm的待焊試件，并在焊前使用酒精清洗待焊區。焊接方式為填絲焊接，選擇純氬氣作為保護氣以阻止焊縫區氧化以及加快熔融金屬冷卻速度。氬弧焊接試驗采用米勒焊接電源，最大焊接電流200 A，實際焊接電流120~160A。激光焊接試驗采用耦合Fanuc數控機床系統的Nd：YAG毫秒級脈沖激光器，其最大輸出功率500 W，實際焊接中的激光功率為180~250 W。焊接工藝參數優選原則為焊接過程穩定，焊縫外觀質量良好，保證焊縫上下余高近似相等且無缺陷存在。氬弧焊縫和激光焊縫幾何形貌如圖1所示。

表1 Hastelloy C-276鎳基合金和ERNiCrMo-4焊絲化學成分%

圖1 焊縫幾何形貌

對氬弧焊接和激光焊接試樣進行滲透檢測和射線檢測，確保焊縫無咬邊、未焊透、氣孔和裂紋等缺陷。通過X射線衍射儀（XRD）檢測相結構，確認是否存在二次相和夾雜物等影響焊縫性能的缺陷。在上述3種檢測結果的基礎上，優化工藝參數，確保獲得的焊接接頭無缺陷，并評價其拉伸和彎曲性能。

拉伸試驗試件依照GB/T 2651-2005標準設計制備，尺寸如圖2所示。焊縫位于試樣中間，試樣標距為60 mm。焊后依次進行線切割取樣，并用360#打磨去除線切割痕跡，保證試驗的可靠性。拉伸試驗速度5.0 mm/min。每組測試10個試樣以保證數據可靠性。利用掃描電鏡（SEM）觀察斷口，分析斷口形貌特征和夾雜物存在形式，采用XRD測定拉伸斷口表面的物相組成，研究夾雜物及物相結構對斷裂的影響。

彎曲試驗試件依照GB/T 2653標準設計制備，尺寸如圖3所示。焊縫位于試件中央，采用對接焊背彎形式評價其彎曲性能。每種焊接形式測試10件以保證數據可靠度。肉眼觀察焊縫根部，確認是否出現裂紋。

圖2 拉伸試樣尺寸示意

圖3 彎曲試件尺寸示意

2 實驗結果和分析

2.1 無損探傷

為了評價不同焊接工藝的穩定性和焊接缺陷，本研究采用滲透檢測評價表面缺陷，采用射線探傷評價內部缺陷。

滲透檢測樣件尺寸為300 mm×200 mm，焊縫長300 mm，氬弧焊接和激光焊接各10件。由于屏蔽式核主泵電機屏蔽套的應用環境為核電領域，因此對檢測精度要求較高，依照ISO 3452-2：2000標準選取UP-T核級滲透劑、UR-T核級清洗劑和UD-T核級顯像劑。滲透結果依照ASME法規第三卷NB分卷NB5350液體滲透檢測驗收標準進行評定，20個樣件均未出現大于1.5 mm的缺陷，所有樣品滲透檢測均合格，激光焊接和氬弧焊接均可獲得高質量的焊縫表面。

射線檢測采用X射線探傷機HSXY-160，樣件尺寸與滲透檢測樣件尺寸及表面狀態一致，氬弧焊和激光焊各10件。典型射線檢測底片如圖4所示。檢測結果依照ASME法規第三卷NB分卷NB5320射線檢測驗收標準進行評價。全部樣品均通過射線檢測確定無裂紋、未完全熔合或未焊透缺陷。但激光焊縫比氬弧焊縫更窄，且焊縫均勻性更好。

2.2 拉伸及彎曲性能

焊接接頭的力學性能是評價焊接工藝可行性的重要依據，在此主要采用拉伸試驗和彎曲試驗評價焊接接頭的力學性能。

圖4 射線檢測底片

不同焊接工藝的焊接接頭拉伸強度如表2所示。由于焊接過程中有焊絲填充，所以焊縫存在正余高，其最大余高處的厚度約為母材厚度的1.4倍，因此拉伸斷裂時焊縫處的等效應力小于母材所承受的應力。實驗結果顯示全部拉伸樣件均呈現明顯剪切斷裂特征，且均斷于遠離焊縫的母材處，典型斷裂樣件如圖5所示。激光焊接薄板的抗拉強度平均值為651.31 MPa，氬弧焊接薄板的抗拉強度平均值為684.40 MPa。結果表明，填絲焊接焊縫區的抗拉性能優于母材，而且激光焊接與氬弧焊接的效果基本一致，氬弧焊接過程中熱影響區未影響焊接接頭的拉伸性能。

表2 拉伸試驗數據

不同焊接工藝焊接接頭的拉伸斷口如圖6所示。由圖6可知，母材的拉伸斷裂形式為韌性斷裂，斷口存在顯著的等軸韌窩，韌窩直徑約為3~6 μm。

焊接接頭斷口的相分析結果表明斷口處均為單一的奧氏體相，無其他析出相產生，與斷口SEM觀測結果一致，如圖7所示。

彎曲試驗樣件彎曲角度為180°，壓頭直徑為24 mm，彎后樣件和受拉面焊縫處形貌如圖8、圖9所示。由于焊縫底部極易出現未焊透缺陷，在彎曲試驗中受拉最易導致開裂，因此選擇背彎對焊縫彎曲強度進行評價。將焊縫置于彎曲試驗中心，保證焊縫處受拉變形最大。結果表明，焊縫受拉面變形均勻，焊縫中心和焊縫邊界熱影響區均未出現裂紋，所有樣品均合格，焊接質量好，彎曲性能滿足要求，兩種焊接方式均可得到彎曲性能較好的焊接接頭。

圖5 不同形式焊接接頭拉伸樣品

圖6 焊接接頭拉伸斷口SEM照片

3 結論

（1）氬弧焊和激光焊獲得的焊縫成形良好，經過高標準核級滲透檢測未發現大于1.5 mm的缺陷，滿足ASME核電使役標準，無咬邊和裂紋等缺陷；射線檢測結果表明所有樣品均無焊接缺陷，但激光焊縫比氬弧焊縫更窄，且均勻性更好。

圖7 不同形式焊接接頭拉伸斷口XRD圖譜

圖8 彎曲試驗后典型樣件

圖9 彎曲實驗后典型樣件受拉面

（2）氬弧焊和激光焊拉伸樣件均斷裂于遠離焊縫的母材區，因為兩種焊縫區均存在正余高，所以焊縫處承受的等效應力小于母材區承受的實際應力；激光焊接接頭抗拉強度為651.31 MPa，氬弧焊接接頭抗拉強度為684.40 MPa，兩種焊接接頭拉伸斷口形態存在明顯的等軸韌窩，分布均勻且大小一致，無明顯顆粒狀脆性相存在；XRD相分析顯示斷口均為奧氏體相，無二次相。彎曲實驗中所有彎后樣件受拉的焊縫底部均未出現開裂，說明兩種焊接方式均可獲得彎曲性能較好的焊接接頭。

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