(06Cr17Ni12Mo2)316不锈钢管激光焊接中离焦量对热裂纹的影响

2020-11-12 15:11:10

 反应堆燃料元件包壳管内部封装核燃料,外部与冷却介质直接接触,长期服役在高温、辐照和腐蚀环境下,因此维持核燃料棒结构完整,防止放射性物质逸人冷却剂,是放射性物质的第一道屏蔽。由于316不锈钢管具有较好的高温力学性能和抗辐照肿胀性能,所以目前国际上液态金属冷却快堆的包壳材料均以316不锈钢管为主,其已在钠冷快堆中得到广泛应用,同时也是铅冷快堆包壳的主要候选材料。奥氏体不锈钢由于导热系数较小、线膨胀系数大,在焊接过程中焊缝极易产生较大拉应力,具有较高的热裂敏感性,所以整个燃料元件包壳最薄弱的环节是包壳管与上下端塞结合处的环形焊缝,这就对包壳管焊接提出了很高要求。商用堆运行经验证明,焊接燃料元件包壳的可靠方法有真空电子柬焊、钨极惰性气体保护焊、激光气体保护焊和压力电阻焊。其中,激光焊接技术具有能量密度高、热输入小、焊接结构变形小等特点,已逐渐应用于薄壁金属材料的焊接,尤其是大功率激光焊接技术应用更为广泛,同时大功率激光焊接金属材料过程中热裂纹形成机理及控制方法已有较为深入的研究,但关于小功率脉冲激光焊接316不锈钢管的工艺优化、焊接过程中热裂纹形成及控制的相关研究较少。至德钢业拟采用500 W脉冲激光焊机开展316不锈钢管焊接试验,在前期工艺试验基础上研究离焦量对焊接热裂纹产生的影响,分析热裂纹产生原因,探索有效控制焊接热裂纹的方法,以期进一步优化奥氏体不锈钢包壳管脉冲激光焊接工艺。


 一、试验材料与方法

  

  试验选用外径10mm的316不锈钢管材,施焊前用去离子水和丙酮清洗焊接面,然后吹干。采用最大额定平均功率为500W的JHM-1GXY-500D型脉冲激光焊机进行焊接试验。根据被焊材料的性质和尺寸,选择合适的焊接参数并设为定值(脉冲工作电流70 A,脉冲宽度10 ms,脉冲频率4.5 Hz),试验过程中仅调节离焦量,调节范围为0~+7 mm,焊接试验全程采用氩气对施焊面进行保护,气体流量为15 L/min,如图所示。


  焊后垂直焊接方向截取接头横截面金相试样,利用OLYMPUS-BX51M金相显微镜和OLS4100激光共聚焦显微镜观察焊缝表面形貌和接头金相组织;采用1+MV-2T型显微硬度计测量焊缝横截面的显微硬度。结合焊缝形貌、金相组织及显微硬度结果,分析焊缝区组织和热裂纹特征。采用扫描电镜观察焊缝组织,并用能谱仪分析焊缝区各元素含量及分布状态。


二、试验结果与分析


 1. 离焦量对焊缝形貌及组织的影响

 

   采用相同焊接参数分别在离焦量0、+1、+2、+3、+4、+5、+6、+7 mm下焊接316不锈钢管材,切取焊缝制备成金相试样,利用激光共聚焦显微镜观察焊缝组织。图为不同离焦量焊缝显微组织。

 

   离焦量为0 mm和+2 mm焊缝中可见明显粗大贯穿裂纹,且裂纹均集中分布于焊缝中心区域;离焦量为+4 mm焊缝中裂纹数量显著减少,开裂程度明显细化,仅在焊缝中心部位存在少量微裂纹;离焦量为+6 mm焊缝中微裂纹完全消失且组织致密。通过对比不同离焦量下的焊缝组织,发现随着离焦量的增大,焊缝深度明显减小,焊缝底部曲率也逐渐减小,熔合线底部趋于平缓;焊缝组织有明显的方向性,由基体向表面呈柱状晶生长,且随着离焦量的增大焊缝组织逐渐细化;离焦量从0 mrn到+4 mrn的焊缝中均有裂纹,裂纹沿着柱状晶晶界开裂,随着离焦量的增大焊缝中裂纹数量减少,开裂程度减小,当离焦量增大到+6 mrn时,焊缝中裂纹完全消失。

 

   图为焊缝表面形貌及对应放大的微观组织,离焦量为+2 mm的焊缝表面可见明显连续裂纹,裂纹出现在焊缝中部沿着焊接方向扩展,焊缝轴向剖面微观组织中可见裂纹贯穿存在于焊缝中部。离焦量为+4 mm的焊缝中不再有连续贯穿裂纹,仅在晶界处分布少量微裂纹,焊缝表面可见间断不连续小裂纹。离焦量为+6 mm焊缝的外表面成形良好且未出现开裂情况,焊缝微观组织均匀致密、柱状晶粒细小,整个焊缝区域未见任何裂纹。通过对比焊缝微观组织及表面形貌,可见离焦量对焊缝组织影响明显,当脉冲工作电流、脉冲宽度和脉冲频率3个焊接参数设定为最佳值时,仅增大离焦量焊缝中热裂纹倾向性不断减小,当离焦量达到某一值后焊缝中热裂纹完全消失。如316不锈钢管在脉冲电流70 A、脉宽10 ms和频率4.5 Hz下,离焦量≥+6 mm时焊缝中裂纹完全消失。


 2. 焊缝显微硬度及能谱分析

  

  焊缝区域的显微硬度与微观组织、晶粒尺寸及缺陷等有关,通过分析焊缝区显微硬度的变化情况,可进一步分析焊缝组织特征及焊接裂纹的产生规律。图为硬度测试位置,图为对应位置的硬度。通过观察图可得:


   a. 焊缝区同一深度上硬度沿中心近似对称分布,中心硬度最小,由中心向两端硬度逐渐增大;


   b. 从焊缝深度方向对比,焊缝表面硬度最小,并沿着深度方向硬度逐渐增大。这样的硬度分布和焊缝组织有直接关系,由于焊缝是按照熔合线向中心区域的顺序进行凝固,与基体接触的区域先凝固,该区域凝固速度较快,所以熔合线附近组织致密且晶粒细小,硬度较高;而焊缝中心区域最后凝固,受到凝固后期拉应力作用,加之后期液态金属量减少且流动性差,所以焊缝中间区域组织稀疏且品界较宽,硬度较低。


  对比焊缝中无裂纹区域(A区)和裂纹聚集区域(B区)的元素含量,发现两个区域的铁、铬、镍等合金元素含量几乎无差异,无裂纹区域磷、硫元素质量含量分别为0. 028%和0. 031%,裂纹聚集区域硫、磷元素质量含量分别为0. 033%和0.045%,明显高于无裂纹区域,说明焊缝凝固过程中硫、磷元素向焊缝中心部位(即裂纹产生区域)聚集。综合焊缝显微硬度和能谱测试结果,可确定脉冲激光焊接过程中焊缝凝固具有明显方向性,导致硫、磷元素向焊缝中心部位偏析,元素偏析会造成凝固后期液膜或低熔点组织的产生,加之后期应力作用,焊缝中心部位发生沿晶开裂,产生裂纹。


 3. 分析讨论

 

   通过对焊缝组织和硬度的观察分析可知,在焊接电流、脉冲宽度和脉冲频率选择合适并设为定值时,焊缝的组织状态及裂纹的产生与激光离焦量有直接关系。调节离焦量的本质是改变激光能量输入状态,进而影响焊缝凝固方式,研究焊缝的凝固方式就要通过离焦量对焊缝熔深、熔宽以及宽深比的影响来进行分析。图为离焦量对焊缝熔深、熔宽的影响。由图可知,熔深和熔宽均随着离焦量的增大而减小,熔深并非按照线性减小,从表面聚焦增大到+2 mm离焦量的过程中熔深减小较快,熔深随离焦量减小的速率为97 Pm/mm。离焦量由+2 mm继续增大到+6 mm的过程中熔深减小较慢,熔深随离焦量减小的速率为23.8pm/mm。随着离焦量的增加熔宽近似线性减小,平均减小率为34.8um/mm。

  

   焊缝熔深和熔宽共同决定焊缝体积,即焊接过程中金属的熔化量,可见随着离焦量的增大,输入被焊工件的能量减小,焊缝处金属熔化量也逐渐减少。由于离焦量增加导致焊缝熔深、熔宽及金属熔化量均减小,不能有效判断熔池凝固特性,所以需结合离焦量和宽深比关系进一步分析。图为离焦量与宽深比的关系,由图可见,宽深比随着离焦量的增加而增大。综上所述,离焦量增加后焊缝熔宽和熔深均减小而宽深比则增大,焊缝形状由V形逐渐变成U形,焊缝底部曲率半径逐渐变大,这种熔池形状上的变化直接影响焊缝凝固方式,导致焊缝凝固组织和品粒生长方向发生变化。

 

   脉冲激光焊接熔池是一个高温度梯度、高速度的凝固过程,且凝固过程中液态金属与固相基底始终保持接触,所以焊缝凝固过程表现出典型的外延定向生长特点。激光离焦量对焊缝熔池凝固的影响如图所示,激光在焦点位置(离焦量为0 mm处)是点热源,该处能量高度集中,即能量密度最高点;沿着正离焦方向激光能量密度逐渐下降,由点热源逐渐转变为面热源。图中波浪线代表激光输入工件的热源状态,箭头表示热量流动方向,图中箭头表示相应离焦量下焊缝晶粒生长方向,离焦量为0 mm时熔池中晶粒由熔合线向焊缝内部一点集中生长,而随着离焦量的增大,晶粒生长方向逐渐由点向面发散,当离焦量增大为+6 mm时晶粒近似向焊缝表面垂直生长。合金元素会随着定向凝固过程发生偏析,对于316不锈钢管,硫、磷等元素严重偏析到焊缝最后凝固区域,在该处晶间形成液态薄膜和低熔点共晶组织。加之凝固后期温差较大,焊缝区域容易受到拉应力作用,晶界处的残余液相或低熔点组织在拉应力作用下发生液膜分离,形成裂纹源并沿晶界扩展。当离焦量增大到一定值后,激光在焊缝表面形成的面热源能量密度分配更加均匀,热量近似垂直流入焊缝,焊缝熔池中液态金属由未熔基体向表面定向凝固,硫、磷等易形成低熔点组织的杂质元素向焊缝表面偏析,焊缝内部则不再产生液膜效应及低熔点组织。此外,离焦量增加导致热输入减小,工件中热应力也相应减小,这对于消除热裂纹也具有积极作用。

 

   所以,当根据被焊样品材料和尺寸设定好最佳焊接电流、脉宽和频率后,通过调节脉冲激光离焦量可有效控制引起焊接热裂纹的冶金因素和力学因素。对于不同金属材料的脉冲激光焊接工艺,合理选择离焦量的标准为保证焊缝宽深比不小于某值时,焊接过程中热裂纹缺陷消失。基于以上分析结果,开展了不同激光功率下离焦量对焊接热裂纹的影响试验,发现采用平均功率为50~500 W的脉冲激光焊接316不锈钢管时,应调节离焦量使宽深比≥7.5,便能保证焊接过程中不再产生热裂纹缺陷,焊接电流、脉宽和频率等参数则根据被焊工件尺寸和接头形式选定。


三、结论

 

   通过研究离焦量对316不锈钢管脉冲激光焊接过程中热裂纹的影响规律,得到以下结论:

  

   1. 采用平均功率为50~500 W的脉冲激光焊接316不锈钢管,根据被焊材料的性质和尺寸设定脉冲工作电流、脉冲宽度和脉冲频率后,仅调节激光离焦量由表面聚焦向正离焦增大过程中,焊缝组织逐渐细化,产生热裂纹倾向性逐渐减小,同时焊缝宽深比逐渐增大,当宽深比≥7.5时焊接热裂纹消失。

 

   2. 调节增大离焦量的本质是改变激光输入能量的分布状态,引导焊缝凝固过程中硫、磷等元素向熔池表面偏析,避免焊缝内部产生液膜效应及低熔点组织,且可降低焊缝凝固过程中的热应力,从而消除脉冲激光焊接热裂纹缺陷。


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