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15-15Ti不锈钢锁底结构激光-氩弧复合焊接焊缝性能分析

关怀 徐晓东 张雪伟 邹本慧

关怀, 徐晓东, 张雪伟, 邹本慧. 15-15Ti不锈钢锁底结构激光-氩弧复合焊接焊缝性能分析[J]. 核动力工程, 2024, 45(S2): 254-260. doi: 10.13832/j.jnpe.2024.S2.0254
引用本文: 关怀, 徐晓东, 张雪伟, 邹本慧. 15-15Ti不锈钢锁底结构激光-氩弧复合焊接焊缝性能分析[J]. 核动力工程, 2024, 45(S2): 254-260. doi: 10.13832/j.jnpe.2024.S2.0254
Guan Huai, Xu Xiaodong, Zhang Xuewei, Zou Benhui. Analysis of Laser-TIG Hybrid Welding Performance on 15-15Ti Stainless Steel Lock Bottom Structure[J]. Nuclear Power Engineering, 2024, 45(S2): 254-260. doi: 10.13832/j.jnpe.2024.S2.0254
Citation: Guan Huai, Xu Xiaodong, Zhang Xuewei, Zou Benhui. Analysis of Laser-TIG Hybrid Welding Performance on 15-15Ti Stainless Steel Lock Bottom Structure[J]. Nuclear Power Engineering, 2024, 45(S2): 254-260. doi: 10.13832/j.jnpe.2024.S2.0254

15-15Ti不锈钢锁底结构激光-氩弧复合焊接焊缝性能分析

doi: 10.13832/j.jnpe.2024.S2.0254
基金项目: 中核北方核燃料元件有限公司自主投入项目(科RWN〔2021〕77号)
详细信息
    作者简介:

    关 怀(1990—),男,硕士研究生,高级工程师,现主要从事先进核燃料制造技术研究工作,E-mail: conveyguan@163.com

  • 中图分类号: TL341

Analysis of Laser-TIG Hybrid Welding Performance on 15-15Ti Stainless Steel Lock Bottom Structure

  • 摘要: 为研究一种钠冷快堆用15-15Ti不锈钢材料的焊接工艺,探究一种能够适应锁底结构,进行多次焊接后,该材料仍能保持良好性能的方法。本文采用激光-氩弧复合焊接工艺,对国产15-15Ti材料的一种典型锁底结构开展了焊接工艺探索,通过金相显微镜、扫描电镜、硬度计和拉伸试验机对焊缝的组织特征、显微硬度、晶间腐蚀和力学性能进行了测试,对多次焊接后的焊缝形貌与性能进行了对比。研究发现,激光-氩弧复合焊接能够实现锁底型结构的焊接,并获得较好的焊缝组织和力学性能;并且经过多次焊接后,焊缝凝固模式、焊缝组织、力学性能未发生变化,焊缝组织和力学性能具有较好的一致性,具有广泛的工程应用范围和应用场景。

     

  • 15-15Ti是一种钛稳定化、冷加工奥氏体不锈钢材料,大量应用于钠冷快中子反应堆包壳材料和结构材料,如美国的D9、法国的AIMI和俄罗斯的ChS-68等[1]。材料及其焊缝在快堆堆芯服役时要承受液态熔融金属的腐蚀、高温及较高的中子注量考验,对焊缝的要求较为严格。

    激光-氩弧复合焊接可以利用电弧增强激光作用,在保证焊缝熔透的情况下改善焊缝成形,获得优质焊接接头,缓和母材端面接口精度要求。激光-氩弧复合焊接能量密度集中,焊接热输入小,熔透能力强(熔深分别为单独激光和氩弧熔深的1.44和2.86倍)[2-3]。目前激光-电弧复合焊接技术在船舶制造、高速列车、汽车制造、石油管道等行业都有一定的应用[4-5],尤其是在海洋工程装备中厚板结构件焊接、超高强度钢板的焊接,在核燃料制造领域尚未开展应用。

    本文对一种典型的国产15-15Ti锁底结构的激光-氩弧复合焊接接头性能进行分析,验证激光-氩弧复合焊接15-15Ti不锈钢的工艺可靠性;对比分析多次焊接后其微观组织和力学性能的变化,验证激光-氩弧复合焊接进行多次焊接可行性。本工作可用于指导15-15Ti不锈钢的激光-氩弧复合焊接工艺的工程应用与缺陷控制。

    母材A由15-15Ti冷轧异形管材制取;母材B由15-15Ti固溶态棒材经机械加工方式获得。采用凸台式结构锁底结构,焊接装配厚度为3 mm,采用半V型坡口的形式。试样表面粗糙度Ra为3.2 μm。母材化学成分见表1。母材经机械加工后进行超声去离子水清洗,烘干后进行焊接。焊前不进行预热,焊后不进行热处理。

    表  1  母材化学成分 %
    Table  1.  Chemical Composition of Base Metal
    材料 元素
    C Si P S Mn Ni Cr Mo Ti
    15-15Ti(冷轧) 0.05 0.46 <0.01 <0.01 1.71 14.96 16.21 2.07 0.34
    15-15Ti(固溶) 0.06 0.53 <0.01 <0.01 1.64 15.06 16.97 2.07 0.37
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    采用自主研制的激光-氩弧复合焊接平台进行焊接,激光焊机采用YLS-4000型光纤激光器,氩弧焊机采用LORCH氩弧焊接,通过六轴机器人和旋转工作台实现自动焊接。采用激光功率5 kW,线能量密度140 J·mm−1,保护气体流量15 L·min−1,光钨距离4 mm的工艺参数进行样品的焊接。焊接试样2个,分别经过一次、二次、三次焊接。第一次焊接后,对焊缝表面的氧化色清理后进行第二次焊接,第二次焊接后在对焊缝表面的氧化色清理后进行第三次焊接。试验先按照NB/T 47013.11-2015进行X射线评价。每组2个试样中A试样利用线切割工艺进行取样,取焊缝长度约10 mm,制取3个试验分别用于微观金相组织分析、硬度分析和晶间腐蚀评价,B试样进行拉伸行为评价,试样信息详见表2。金相经磨抛后采用草酸溶液进行电解腐蚀,晶间腐蚀按照GB/T 4334—2020的要求进行测试,拉伸试样按照GB/T 228.1—2010进行室温拉伸测试。

    表  2  试样对照表
    Table  2.  Sample Information
    焊接次数 微观试样 晶间腐蚀试验 硬度试样 拉伸试样
    1 1-A-1 1-A-2 1-A-3 1-B
    2 2-A-1 2-A-2 2-A-3 2-B
    3 3-A-1 3-A-2 3-A-3 3-B
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    激光-氩弧复合焊接样品外观如图1所示,通过百洁布可去除表面氧化色,无咬边、弧坑等缺欠。对激光-氩弧复合焊接一次、二次、三次的焊接接头进行了X射线检测,均无气孔、夹杂、未焊透、未熔合、裂纹缺陷。结果表明激光-氩弧复合焊接二次、三次未对宏观形貌造成影响。

    图  1  15-15Ti激光-氩弧复合焊接宏观形貌
    Figure  1.  Macromorphology of 15-15Ti Laser-TIG Hybrid Welding

    不锈钢焊缝组织及凝固方式与化学成分和冷却速度有关[6]。15-15Ti不锈钢具有较高的镍含量,较低的铬镍比和较低的杂质元素含量。采用AWS-1992相组分图的当量计算公式计算铬、镍当量,见式(1)、式(2)。计算得到15-15Ti不锈钢Cr当量为18.6、Ni当量为17.16,预测15-15Ti不锈钢焊缝凝固属于A凝固模式。

    $$ \mathrm{Cr}\mathrm{_{eq}}=\mathrm{Cr}+\mathrm{Mo}+0.7\mathrm{Nb} $$ (1)
    $$ \mathrm{Ni_{eq}}=\mathrm{Ni+35C+20N+0.25Cu} $$ (2)

    图2为15-15Ti激光-氩弧复合焊接后显微组织。可见,熔合线清晰,焊缝成型良好,在2个方向上的锁底装配结构形成连接,熔合线呈现抛物线形状。焊缝有效熔深3.34 mm。母材A一侧热影响区(HAZ)宽度明显宽于母材B一侧,母材A侧可以看到明显的晶粒长大和晶界变宽。这是由于母材A为冷轧状态,冷作强化后母材金属焊后发生再结晶和晶粒长大。焊缝区域为胞晶和树枝晶,可以清晰看到凝固亚结构,包括凝固亚晶界(SSGB)和凝固晶粒边界(SGB),属于典型的A凝固模式。凝固以奥氏体为初始析出相,凝固时合金元素和杂质元素出现偏析,高温时这些元素在奥氏体中的扩散能力又较弱,保留了凝固时产生的偏析轮廓[6]

    图  2  15-15Ti激光-氩弧复合焊接接头微观组织
    Figure  2.  Microstructure Characteristics of 15-15Ti Laser-TIG Hybrid Welding

    激光-氩弧复合二次焊接焊缝有效熔深3.22 mm,焊缝整体形貌相较于一次焊接未发生改变,在焊缝中出现二次熔合线,焊缝组织特征未发生变化,可以看到清晰的凝固亚结构;激光-氩弧复合三次焊接焊缝有效熔深3.20 mm。焊缝组织特征未发生变化,组织由奥氏体胞晶和树枝晶组成。经过二次、三次焊接后,焊缝的凝固模式仍为A凝固,组织保持了较好的一致性。

    利用扫描电镜(SEM)对激光-氩弧复合焊接接头进行形貌分析,如图3所示。多次激光-氩弧复合焊接后组织均为奥氏体形,具有清晰的胞晶和树枝晶边界轮廓。焊缝表面发现了白色的点状析出物,尺寸为1~3 µm,主要沿晶界分布,二次焊接后析出物多于一次焊接,三次焊接与二次焊接基本一致。

    图  3  15-15Ti激光-氩弧复合焊接接头微观形貌
    Figure  3.  Micromorphology of 15-15Ti Laser-TIG Hybrid Welding

    对白色点状析出物进行能谱分析(EDS),结果如表3所示。Ti、N原子百分比分别为31.34%、45.84%,可以确定为TiN。由于15-15Ti不锈钢凝固模式为A凝固,凝固时合金元素和杂志元素在奥氏体内扩散能力较弱,因此Ti、N等元素易在晶界偏析形成TiN。

    表  3  焊接接头弥散物EDS分析结果
    Table  3.  EDS Results of the Welding Diffuse Objects
    元素原子序数质量分数/%原子分数/%
    Ti2248.4331.34
    Fe2617.299.59
    Cr247.804.65
    N720.7245.84
    Al132.032.33
    Ni281.640.87
    C62.085.38
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    2.4.1   显微硬度

    沿图2a所示的红色虚线标记位置进行显微硬度分析,中心为正焊缝区域,向母材方向进行测量。如图4所示,一次、二次、三次焊接焊缝平均硬度分别为158.2、157.4、154.2 HV。多次焊接后焊缝硬度保持稳定,未因多次焊接热作用导致焊缝的软化。焊缝与HAZ硬度基本保持一致,未出现HAZ软化现象。母材A高于母材B硬度,焊缝硬度介于母材A与母材B硬度之间,这与母材加工状态有关。母材A为冷作强化态,显微硬度略高于母材B。经过激光-氩弧复合焊接后,焊缝重新凝固结晶后,经轧制产生的内应力和畸变能消失,从而出现软化现象。

    图  4  15-15Ti激光-氩弧复合焊接接头硬度分布
    Figure  4.  Hardness Distribution of 15-15Ti Laser-TIG Hybrid Welding
    2.4.2   晶间腐蚀

    晶间腐蚀是一种奥氏体不锈钢焊缝特有的腐蚀特点,本质上是富Cr的碳化物优先在晶粒边界析出,由此产生沿晶粒的贫铬区,增加了腐蚀敏感性。对激光-氩弧复合焊接后的样品进行晶间腐蚀测试,按照GB/T 4334—2020的要求进行,经过敏化处理后,焊缝表面未出现“车辙”型的腐蚀带,焊缝晶界未出现偏析情况,无晶间腐蚀倾向,图5为晶间腐蚀试验的情况。

    图  5  激光-氩弧复合焊接接头晶间腐蚀倾向试验
    Figure  5.  Intergranular Corrosion Test for 15-15Ti Laser-TIG Hybrid Welding
    2.4.3   拉伸性能

    表4为试样的拉伸试验结果,3种焊接次数的拉伸性能基本一致,均断裂于母材,说明焊缝强度高于母材,焊接接头属于强度匹配,在多次焊接状态下,焊缝的拉伸性能未受影响,均保持较高水平。

    表  4  15-15Ti激光-氩弧复合焊接接头焊缝拉伸性能
    Table  4.  Tensile Property of 15-15Ti Laser-TIG Hybrid Welding
    焊接
    次数
    试样
    编号
    拉断力/
    kN
    抗拉
    强度/MPa
    母材A
    强度/MPa
    母材B
    强度/MPa
    1 1-B 666.6 588.4 677 582
    2 2-B 690.6 609.6 677 582
    3 3-B 689.1 608.3 677 582
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    图6为试样焊缝宏观形貌,拉伸断裂位置为母材B侧的热影响区,一次焊接及二次焊接断口较平齐,三次焊接试样端口出现局部突变断口。

    图  6  焊缝拉伸试验断口宏观形貌
    Figure  6.  Fracture Macromorphology in Weld Tensile Test

    图7为试样断口SEM分析结果,一次焊接试样断口由一些大小不等的圆形或椭圆形的韧窝组成,韧窝形状均匀,沿着空间各个方向均匀生长分布,呈等轴韧窝,属于典型的穿晶韧性断裂,焊缝塑性较好。热影响区断口表面形貌呈河流花样,属于典型的解理脆性断裂;二次焊接、三次焊接断口形貌呈等轴韧窝,经过多次焊接后,焊缝塑性得到较好的保持,多次焊接后热影响区更加粗大,导致局部河流花样更加明显,但并未妨碍焊缝整体拉伸性能表现。

    图  7  焊缝拉伸试验断口表面微观形貌
    Figure  7.  Fracture Morphology in Weld Tensile Test

    15-15Ti激光-氩弧复合焊缝为A凝固模式,由于凝固晶粒边界很平,气泡沿着晶粒边界容易逸出,导致焊缝气孔倾向较小[2]。在实际焊接过程中要注意焊件清洁度的保持。

    奥氏体不锈钢焊缝裂纹主要为凝固裂纹,凝固裂纹往往与Creq/Nieq有关。当凝固模式为A/AF凝固,液态薄膜容易浸润奥氏体平直的边界,裂纹倾向较大,研究表明:在Creq/Nieq>1.48时,裂纹倾向达到最大[6-7]。15-15Ti激光-氩弧复合焊缝为A凝固模式,在工程应用中,需要控制P、S含量,注意装配的拘束度和焊道形状,防止凝固裂纹的产生。

    本文采用激光-氩弧复合焊接工艺对15-15Ti不锈钢锁底结构进行了焊接,通过材料成分预测了焊缝的凝固模式,经过金相显微镜、SEM等设备观测验证了预测结果,并对三次焊接后的焊缝宏观形貌、微观组织和力学性能进行了对比,得出以下结论:

    (1)激光-氩弧复合焊接可以获得外观形貌和微观组织较好的焊缝,焊缝组织为胞状晶和树枝晶,为A凝固模式。

    (2)经过二次、三次焊接重熔之后,焊缝宏观形貌、组织及凝固模式未发生变化,焊缝组织特征和力学性能保持稳定。

    (3)焊缝组织和化学成分表现出较低气孔倾向和裂纹敏感度。在工程应用中需要做好工件清洁度、焊接速度、焊接姿态等气孔控制措施以及组装装配的拘束度、焊道过大等裂纹控制措施。

  • 图  1  15-15Ti激光-氩弧复合焊接宏观形貌

    Figure  1.  Macromorphology of 15-15Ti Laser-TIG Hybrid Welding

    图  2  15-15Ti激光-氩弧复合焊接接头微观组织

    Figure  2.  Microstructure Characteristics of 15-15Ti Laser-TIG Hybrid Welding

    图  3  15-15Ti激光-氩弧复合焊接接头微观形貌

    Figure  3.  Micromorphology of 15-15Ti Laser-TIG Hybrid Welding

    图  4  15-15Ti激光-氩弧复合焊接接头硬度分布

    Figure  4.  Hardness Distribution of 15-15Ti Laser-TIG Hybrid Welding

    图  5  激光-氩弧复合焊接接头晶间腐蚀倾向试验

    Figure  5.  Intergranular Corrosion Test for 15-15Ti Laser-TIG Hybrid Welding

    图  6  焊缝拉伸试验断口宏观形貌

    Figure  6.  Fracture Macromorphology in Weld Tensile Test

    图  7  焊缝拉伸试验断口表面微观形貌

    Figure  7.  Fracture Morphology in Weld Tensile Test

    表  1  母材化学成分 %

    Table  1.   Chemical Composition of Base Metal

    材料 元素
    C Si P S Mn Ni Cr Mo Ti
    15-15Ti(冷轧) 0.05 0.46 <0.01 <0.01 1.71 14.96 16.21 2.07 0.34
    15-15Ti(固溶) 0.06 0.53 <0.01 <0.01 1.64 15.06 16.97 2.07 0.37
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    表  2  试样对照表

    Table  2.   Sample Information

    焊接次数 微观试样 晶间腐蚀试验 硬度试样 拉伸试样
    1 1-A-1 1-A-2 1-A-3 1-B
    2 2-A-1 2-A-2 2-A-3 2-B
    3 3-A-1 3-A-2 3-A-3 3-B
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    表  3  焊接接头弥散物EDS分析结果

    Table  3.   EDS Results of the Welding Diffuse Objects

    元素原子序数质量分数/%原子分数/%
    Ti2248.4331.34
    Fe2617.299.59
    Cr247.804.65
    N720.7245.84
    Al132.032.33
    Ni281.640.87
    C62.085.38
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    表  4  15-15Ti激光-氩弧复合焊接接头焊缝拉伸性能

    Table  4.   Tensile Property of 15-15Ti Laser-TIG Hybrid Welding

    焊接
    次数
    试样
    编号
    拉断力/
    kN
    抗拉
    强度/MPa
    母材A
    强度/MPa
    母材B
    强度/MPa
    1 1-B 666.6 588.4 677 582
    2 2-B 690.6 609.6 677 582
    3 3-B 689.1 608.3 677 582
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  • [1] 刘健. 国产快堆包壳材料15-15Ti不锈钢的拉伸行为研究[J]. 产业与科技论坛,2018, 17(10): 45-46. doi: 10.3969/j.issn.1673-5641.2018.10.022
    [2] MAHRLE A, BEYER E. Hybrid laser beam welding-classification, characteristics, and applications[J]. Journal of Laser Applications, 2006, 18(3): 169-180. doi: 10.2351/1.2227012
    [3] 肖荣诗,吴世凯. 激光-电弧复合焊接的研究进展[J]. 中国激光,2008, 35(11): 1680-1685. doi: 10.3321/j.issn:0258-7025.2008.11.004
    [4] ONO M, SHINBO Y, YOSHITAKE A, et al. Development of laser-arc hybrid welding[J]. NKK Technical Review, 2002(86): 8-12.
    [5] RIBIC B, PALMER T A, DEBROY T. Problems and issues in laser-arc hybrid welding[J]. International Materials Reviews, 2009, 54(4): 223-244. doi: 10.1179/174328009X411163
    [6] LIPPOLD J C, KOTECKI D J. Welding metallurgy and weldability of stainless steels[M]. Hoboken: Wiley-VCH, 2005, 140-143.
    [7] 孙咸. 不锈钢焊缝金属的组织演变及其影响[J]. 机械制造文摘-焊接分册,2012(6): 6-10.
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出版历程
  • 收稿日期:  2024-07-22
  • 修回日期:  2024-10-17
  • 刊出日期:  2025-01-06

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