鄭傳棟，王巖，劉剛，周國(guó)豐，何之

（中廣核研究院有限公司，廣東 深圳 518000）

0 前言

自1954 年世界上第一座5 mW 試驗(yàn)性核電站在前蘇聯(lián)投入使用以來(lái)，核電作為一種清潔、經(jīng)濟(jì)、高效的能源已成為世界電力發(fā)展的必然趨勢(shì)[1]。目前，世界上個(gè)在建核電機(jī)組中有11 個(gè)位于中國(guó)，已成為世界上核電在建規(guī)模最大的國(guó)家[2]。相較于火電設(shè)備，核電設(shè)備運(yùn)行技術(shù)復(fù)雜程度較高，且還存在由于人為或者自然災(zāi)害原因而造成核泄漏等嚴(yán)重事故。如前蘇聯(lián)的切爾諾貝利核電站事故至今還影響著當(dāng)?shù)氐木用窈铜h(huán)境。在核電站在換料大修期間需要對(duì)上部堆內(nèi)構(gòu)件燃料組件定位銷進(jìn)行檢查，如發(fā)現(xiàn)彎曲變形或產(chǎn)生裂紋無(wú)法正常使用后需要對(duì)定位銷進(jìn)行水下更換。將定位銷安裝于上堆芯板的定位孔后，采用防松螺母將定位銷通過(guò)螺紋連接固定于板上，并在兩者配合的螺紋處進(jìn)行焊接以達(dá)到防松要求。由于待焊部位處于強(qiáng)烈核輻射環(huán)境，同時(shí)上堆芯板結(jié)構(gòu)緊湊，因此開發(fā)專用的水下自動(dòng)焊接設(shè)備對(duì)于核電站應(yīng)急救援及修復(fù)具有可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

目前水下焊接方法主要包括3 種，分別為濕法焊接、干法焊接和局部干法焊接[3]。相較于其他2 種方法，局部干法焊接簡(jiǎn)單易行、電弧的燃燒及熔池凝固等過(guò)程都是在氣相環(huán)境中進(jìn)行，焊接質(zhì)量明顯高于濕法焊接。此外，局部干法無(wú)需大型排水氣室、排水裝置尺寸較小，展現(xiàn)出較高的適應(yīng)性[4]。陳勇等人[5]分析了熱輸入對(duì)EH36 鋼水下局部干法焊接質(zhì)量的影響。焊縫組織主要為先共析鐵素體、側(cè)板條鐵素體和針狀鐵素體。小熱輸入條件下焊縫區(qū)由于存在較多的針狀鐵素體，導(dǎo)致焊縫金屬?zèng)_擊韌性獲得較大改善。陳國(guó)棟等人[6]采用采用水下局部干法對(duì)核乏燃料池破損面進(jìn)行焊接修復(fù)時(shí)，當(dāng)焊接速度選擇48 mm/min 時(shí)，焊縫質(zhì)量較高，能夠滿足裝備設(shè)計(jì)要求。馬兆炫等人[7]開發(fā)了雙層氣體保護(hù)的小型可移動(dòng)氣罩式水下TIG 焊槍，并實(shí)現(xiàn)了2507 雙相不銹鋼的水下焊接。在優(yōu)化工藝參數(shù)下可獲得與陸地環(huán)境性能相似的焊縫。

文中采用自主研制的雙鎢極焊炬對(duì)上堆芯板定位銷模擬件進(jìn)行水下焊接研究，重點(diǎn)分析了不同焊接工藝參數(shù)（焊接電流和焊接時(shí)間）對(duì)焊點(diǎn)成形、微觀組織及力學(xué)性能的影響，從而實(shí)現(xiàn)上堆芯板定位銷的水下可靠連接。

1 試驗(yàn)方法

采用江蘇大學(xué)自主研發(fā)的水下局部干法雙鎢極專用焊槍，在0.5 m × 0.4 m × 0.4 m 的試驗(yàn)水池內(nèi)進(jìn)行焊接試驗(yàn)，焊接所用設(shè)備如圖1 所示，其中鎢極直徑為3.2 mm。試驗(yàn)用定位銷模擬件所用材料為304 不銹鋼，定位銷模擬件尺寸如圖2 所示。

圖1 自主研制的水下局部干法雙鎢極專用焊槍

圖2 上堆芯板定位銷模擬試樣尺寸

選用的焊機(jī)為奧太公司生產(chǎn)的WSM-400C 焊接電源，該焊機(jī)空載電壓85 V。采用與焊接電源相匹配的焊接控制柜，能夠自由調(diào)節(jié)前氣時(shí)間、兩點(diǎn)焊接時(shí)間、間隔時(shí)間及后氣時(shí)間等參數(shù)，如圖3 所示焊接電源與焊接控制柜的同步工作能夠完成焊接信號(hào)控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬件的水下兩點(diǎn)焊接。

圖3 焊接信號(hào)控制順序

所用母材為304 不銹鋼，母材化學(xué)成分見表1。母材采用點(diǎn)焊方式對(duì)304 不銹鋼進(jìn)行焊接。焊接工藝參數(shù)見表2。對(duì)焊后試樣進(jìn)行沿焊點(diǎn)直徑剖切，隨后進(jìn)行逐層打磨并采用粒度為1.0 μm 的金剛石噴霧拋光劑對(duì)金相試樣拋光。金相試樣腐蝕劑選用酸性FeCl3溶液（50 mL HCl+10 mL HNO3+100 mL H2O+10 g FeCl3），腐蝕時(shí)間約為40 s。采用蔡司金相顯微鏡（Observer.Z1m）對(duì)焊點(diǎn)（熔寬和熔深）尺寸及金相組織進(jìn)行觀察統(tǒng)計(jì)。采用電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)（DDL100）對(duì)焊點(diǎn)室溫壓縮承載力進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試速度為1 mm/min，每一個(gè)工藝參數(shù)壓縮試樣的測(cè)試數(shù)量為3 個(gè)，取平均值作為試驗(yàn)值。隨后對(duì)壓縮試驗(yàn)獲得的斷口進(jìn)行掃描電鏡（FEI Nova Nano450）觀察，以確定其斷裂特征。

表1 304 不銹鋼化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

表2 水下雙鎢極點(diǎn)焊工藝參數(shù)

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 焊點(diǎn)外觀及截面形貌觀測(cè)

按照表2 中的焊接工藝對(duì)銷釘模擬試樣進(jìn)行點(diǎn)焊，獲得的焊點(diǎn)表面成形和截面形貌見表3。由圖可知，不同工藝參數(shù)下焊點(diǎn)形貌均呈現(xiàn)銀白色，且各焊點(diǎn)均未產(chǎn)生顯著下塌等缺陷，表明在焊接過(guò)程中排水罩內(nèi)部形成局部干燥環(huán)境，能夠獲得優(yōu)質(zhì)的焊點(diǎn)成形質(zhì)量。相較于空氣環(huán)境不銹鋼焊接相比[8]，水下局部干法獲得的焊點(diǎn)表面無(wú)氧化，呈現(xiàn)銀白色特征，這主要是由于水下局部干法焊接時(shí)排水罩內(nèi)氬氣純度較高且無(wú)空氣干擾所致。

表3 不同焊接工藝下焊點(diǎn)表面形貌

由焊點(diǎn)金相相貌觀察可知，焊點(diǎn)截面同樣未產(chǎn)生氣孔、裂紋等焊接缺陷，熔池截面呈現(xiàn)不規(guī)則半橢圓。為探究焊接工藝參數(shù)對(duì)焊點(diǎn)截面特征尺寸的影響，選取熔寬和熔深作為焊點(diǎn)截面特征尺寸并對(duì)兩者進(jìn)行了測(cè)量統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如圖4 所示。對(duì)于焊接電流而言，隨著焊接電流的增加，焊點(diǎn)熔寬顯著增加，但熔深變化較小。而選擇過(guò)大的焊接電流后會(huì)導(dǎo)致鎢針燒損，易引發(fā)焊點(diǎn)內(nèi)產(chǎn)生夾鎢缺陷。對(duì)于焊接時(shí)間，兩焊點(diǎn)截面尺寸與焊接時(shí)間成正比，這主要是由于焊接時(shí)間的延長(zhǎng)促進(jìn)焊點(diǎn)區(qū)域吸收的熱量增多，導(dǎo)致焊點(diǎn)截面尺寸顯著增加。當(dāng)?shù)? 點(diǎn)和第2 點(diǎn)焊接時(shí)間分別超過(guò)15 s 和10 s 后，則焊點(diǎn)截面尺寸變化不顯著。另一方面，考慮焊接時(shí)間過(guò)長(zhǎng)將顯著降低焊接效率，因此焊接時(shí)間不易過(guò)長(zhǎng)。

圖4 不同工藝參數(shù)下焊點(diǎn)截面特征尺寸對(duì)比

2.2 焊點(diǎn)典型組織

圖5 為2 號(hào)試樣第2 焊點(diǎn)金相組織，由圖可知，焊點(diǎn)截面呈現(xiàn)半橢圓形，根據(jù)金相組織特征，可將焊點(diǎn)分為焊縫區(qū)、熱影響區(qū)和母材區(qū)3 個(gè)區(qū)域。圖5(b)為靠近熔合線區(qū)域的組織（區(qū)域1），焊縫組織形貌為垂直于界面生長(zhǎng)的柱狀樹枝晶，這是由于焊縫在凝固過(guò)程中，母材部分區(qū)域被加熱到半熔化狀態(tài)，半熔化狀態(tài)的母材可作為新的形核點(diǎn)進(jìn)行非自發(fā)結(jié)晶，形核產(chǎn)生的晶粒沿著垂直于熔合線散熱最快的方向擇優(yōu)生長(zhǎng)，從而形成聯(lián)生結(jié)晶組織（區(qū)域2）。圖4(d)獲得的柱狀晶分布驗(yàn)證了上述分析。隨著柱狀晶向焊縫內(nèi)的不斷生長(zhǎng)，當(dāng)接近焊縫中心時(shí)，固液界面前沿逐漸向焊縫中心推移，溫度梯度不斷減小，結(jié)晶速度逐漸增大，G/R值減小，所以結(jié)晶形態(tài)開始由柱狀晶向等軸晶轉(zhuǎn)變，如圖5(e)所示。

圖5 2 號(hào)試樣第2 焊點(diǎn)不同區(qū)域金相組織

根據(jù)圖5(c)組織特征并結(jié)合文獻(xiàn)[9]可知，焊縫區(qū)主要由γ-奧氏體+δ-鐵素體組成，其中δ-鐵素體以蠕蟲狀平行分布于γ-奧氏體晶界區(qū)域，且δ-鐵素體含量約為13.8%。根據(jù)焊縫金屬的成分可知，304 不銹鋼焊縫金屬鉻當(dāng)量和鎳當(dāng)量分別為18.79 和9.82（Creq=Cr+Mo+1.5Si+0.5Nb，Nieq=Ni+30C+0.5Mn[10]）。由舍弗勒組織圖[11]可知，304 不銹鋼焊縫凝固規(guī)律則符合FA 模式（L→L+δ→L+δ+γ→δ+γ），即初始析出相為δ-鐵素體，最終轉(zhuǎn)變?yōu)棣?奧氏體相。但由于水下環(huán)境極快的冷卻速度，導(dǎo)致焊縫區(qū)鐵素體未有充足時(shí)間完全轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，因此最終焊縫金屬由基體γ-奧氏體和未完全轉(zhuǎn)化的δ-鐵素體所組成，這與文獻(xiàn)[12]獲得接頭組織相一致。

圖5(g)為焊點(diǎn)熱影響區(qū)金相組織相貌。由圖可知，熱影響區(qū)仍保持γ-奧氏體結(jié)構(gòu)，該區(qū)域晶粒尺寸較母材表現(xiàn)出顯著的粗化傾向，但寬度較小，約為0.3～0.6 mm。熱影響區(qū)晶粒粗化主要是由于熱循環(huán)作用下晶界處原子跨越界面遷移的擴(kuò)散引起的晶界遷移導(dǎo)致的。已有研究表明，304 不銹鋼TIG 焊接頭熱影響區(qū)晶粒尺寸粗化導(dǎo)致該區(qū)域軟化，弱化了接頭力學(xué)性能[8]。因此需要調(diào)控焊接熱輸入以抑制熱影響區(qū)晶粒粗化程度。此外，由于304 不銹鋼焊前進(jìn)行熱軋變形，因此母材區(qū)形成較多中止型孿晶，由于孿晶的“劈裂”效應(yīng)破壞了原奧氏體晶粒的完整性，如圖5(i)所示。對(duì)于熱影響區(qū)而言，當(dāng)經(jīng)歷焊接熱循環(huán)過(guò)程中孿晶將不斷長(zhǎng)大，如圖5(h)所示。

2.3 焊點(diǎn)壓縮性能測(cè)試

對(duì)表3 工藝參數(shù)獲得的焊點(diǎn)進(jìn)行了壓縮承載力測(cè)試，并設(shè)計(jì)了專用壓縮測(cè)試夾具，測(cè)試示意圖如圖6 所示。采用圖6 所示工藝對(duì)焊點(diǎn)進(jìn)行了壓縮測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖7 所示。由圖4 可知，當(dāng)焊接熱輸入較大時(shí)，焊點(diǎn)熔寬及熔深均較大，因此其承載力相應(yīng)增加，均超過(guò)19 kN，如3 號(hào)、5 號(hào)和8 號(hào)工藝參數(shù)獲得的試樣。當(dāng)焊接熱輸入相對(duì)較小時(shí)，由于焊點(diǎn)熔寬及熔深較小，其承載面積顯著減少，因而銷釘承載力顯著降低，均不超過(guò)16 kN。而2 號(hào)工藝參數(shù)獲得的試樣承載力介于兩者之間，達(dá)到17.6 kN，結(jié)合焊點(diǎn)截面成形進(jìn)一步驗(yàn)證2 號(hào)焊接工藝參數(shù)可實(shí)現(xiàn)對(duì)銷釘?shù)膬?yōu)質(zhì)連接。

圖6 壓縮試驗(yàn)夾具和試樣構(gòu)成

圖7 不同點(diǎn)焊工藝參數(shù)下接頭壓縮承載力對(duì)比

圖8 為2 號(hào)試樣壓縮斷裂面形貌?？芍?，2 號(hào)試樣全部斷裂于焊縫內(nèi)部，且斷口表面存在顯著的起伏特征。如圖9 所示。對(duì)右側(cè)焊點(diǎn)斷口形貌觀察可知，斷裂表面較為平整。斷口內(nèi)上分布著較多平行于剪切方向的滑移撕裂條紋，還可觀察到大量的粗大而密集的拉長(zhǎng)韌窩，與剪切方向相一致，且韌窩含量遠(yuǎn)高于滑移撕裂條紋，因此該試樣呈現(xiàn)韌性穿晶斷裂模式。

圖8 試樣斷裂宏觀形貌

圖9 2 號(hào)試樣焊點(diǎn)斷裂特征

3 結(jié)論

（1）上堆芯板定位銷模擬件水下焊接獲得的焊點(diǎn)表面呈現(xiàn)銀白色，無(wú)下塌等缺陷，表明水下焊接焊點(diǎn)成形質(zhì)量?jī)?yōu)異。隨著焊接電流和焊接時(shí)間的增加，焊點(diǎn)截面尺寸均顯著增加。

（2）焊點(diǎn)焊縫區(qū)組織主要由γ-奧氏體及少量δ-鐵素體組成，且δ-鐵素體呈蠕蟲狀分布于奧氏體晶界，熱影響區(qū)則由于熱循環(huán)作用導(dǎo)致晶粒顯著粗化。

（3）焊接電流和焊接時(shí)間的增加促進(jìn)焊點(diǎn)壓縮力學(xué)性能顯著增加，斷裂特征以韌性斷裂模式為主。結(jié)合焊接效率與焊點(diǎn)力學(xué)性能，2 號(hào)焊接工藝參數(shù)可實(shí)現(xiàn)對(duì)定位銷模擬件的優(yōu)質(zhì)連接。