Analysis of Laser-TIG Hybrid Welding Performance on 15-15Ti Stainless Steel Lock Bottom Structure
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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。Abstract: To investigate a kind of welding process of 15-15Ti stainless steel material for Sodium-cooled fast reactors, a method that can accommodate to the bottom lock structure while maintaining good welding performance after multiple welding cycles is explored. In this paper, laser-TIG hybrid welding process is adopted to a bottom lock structure made of domestically produced 15-15Ti stainless steel. The microstructural characteristics, microhardness, intergranular corrosion resistance, and mechanical properties of the weld seam were tested using metallurgical microscope, scanning electron microscope, hardness tester, and tensile testing machine. Comparisons were made between the weld morphology and properties after multiple welding cycles. The research shows that laser-TIG hybrid welding can realize the welding of lock bottom structure and obtain superior welding microstructure and mechanical properties. After multiple welding cycles, the weld seam solidification mode, microstructure, and mechanical properties remain unchanged, and the microstructure and mechanical properties of the weld have good consistency. This welding method of 15-15Ti material has broad engineering application potential and scenarios.
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Key words:
- 15-15Ti /
- Laser-TIG hybrid welding /
- Microscopic structure /
- Welding performance
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0. 引 言
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。
1. 研究方法
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 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 2. 研究结果与分析
2.1 激光-氩弧复合焊接接头外观形貌
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 Welding2.2 激光-氩弧复合焊接接头微观组织
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。
2.3 激光-氩弧复合焊接接头微观形貌
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/% Ti 22 48.43 31.34 Fe 26 17.29 9.59 Cr 24 7.80 4.65 N 7 20.72 45.84 Al 13 2.03 2.33 Ni 28 1.64 0.87 C 6 2.08 5.38 2.4 焊接接头性能
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 Welding2.4.2 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 Welding2.4.3 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/MPa1 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 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。
3. 锁底结构激光-TIG复合焊接缺陷分析
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。
4. 结 论
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。
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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
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/% Ti 22 48.43 31.34 Fe 26 17.29 9.59 Cr 24 7.80 4.65 N 7 20.72 45.84 Al 13 2.03 2.33 Ni 28 1.64 0.87 C 6 2.08 5.38
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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/MPa1 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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