□郭寶超□薛松□米大為□戚丹鴻□蔣恩□金偉芳□卜佳煒□冷曉春

上海第一機床廠有限公司上海201308

304LN不銹鋼與Inconel 690合金厚板光纖激光超窄間隙焊接的研究

□郭寶超□薛松□米大為□戚丹鴻□蔣恩□金偉芳□卜佳煒□冷曉春

上海第一機床廠有限公司上海201308

厚壁構件焊接是核電制造中的關鍵技術問題。針對應用于核電構件的304LN不銹鋼和Inconel690合金厚板展開光纖激光焊接工藝研究，獲得了30 mm厚度的對接接頭，并通過金相觀察和力學測試分析了焊縫成形、焊縫金相組織、拉伸性能及晶間腐蝕性能。測試表明，焊縫具有良好的成形性能，并保持4mm左右的焊縫寬度，體現(xiàn)出窄間隙焊接的特征，由此確認了304LN不銹鋼與Inconel690合金厚板光纖激光超窄間隙焊接的有效性，對于光纖激光超窄間隙焊接工藝在核電制造中的應用具有參考作用。

核電生產(chǎn)制造中，厚壁構件的焊接常采用電弧多層多道焊接技術，可以實現(xiàn)大厚度金屬構件的焊接。近年來，激光焊接技術飛速發(fā)展，以激光為熱源，通過集成機器人系統(tǒng)、計算機控制系統(tǒng)，甚至焊縫跟蹤與反饋系統(tǒng)，能實現(xiàn)焊接過程的精準控制，并具備高度的柔性加工能力，在制造業(yè)中引起了越來越廣泛的關注[1-2]。

采用激光焊接技術實現(xiàn)厚壁構件的焊接，通常采用兩種技術手段。第一種是采用高功率激光實現(xiàn)深熔焊，通過高功率密度的激光光源得到大深寬比的熔池，實現(xiàn)厚板的焊接[3-5]。文獻[6-7]采用光纖激光實現(xiàn)了厚度為12 mm的304不銹鋼深熔焊。采用激光深熔焊的最大優(yōu)點在于效率高，不需要填充材料，單道就可以實現(xiàn)對接焊接，但是這種方法常出現(xiàn)焊縫成形缺陷，此外焊接能力受到激光器最大功率的限制。第二種技術手段是基于激光焊接的窄間隙焊接技術，通過多層焊接實現(xiàn)厚板的連接[8-10]。窄間隙填絲焊的優(yōu)點在于焊接功率低，大大降低了對激光器硬件最高功率的要求，此外，通過多層焊接技術可以避免焊縫背部塌陷等成形問題。

筆者針對核島主設備控制棒驅(qū)動機構中的材料304LN不銹鋼與Inconel 690合金厚壁構件的連接問題，研究實現(xiàn)30 mm厚度304LN與Inconel 690材料對接的窄間隙激光填絲焊技術，并對激光焊接獲得的接頭組織和性能進行測試分析。

1 試驗材料與方法

焊接試驗所采用的焊接母材為30 mm厚度的304LN不銹鋼和Inconel 690合金板材，這兩種材料的化學成分見表1和表2。焊絲采用鎳基合金ER NiCrFe-7A，直徑為1.2mm，其化學成分見表3。

表1 304LN主要化學成分

表2 Inconel690主要化學成分

表3 ER NiCrFe-7A主要化學成分

激光焊接采用最大輸出功率為15 kW的光纖激光，光斑在焦點位置的半徑為0.6 mm。焊接采用純激光焊加單道多層填絲焊工藝，實現(xiàn)厚度30 mm的304LN不銹鋼和Inconel 690合金對接連接。純激光焊工藝為離焦量0 mm、激光功率4 kW、焊接速度1.2 m/min。采用純激光焊實現(xiàn)底部4 mm鈍邊的焊接。激光填絲焊工藝為離焦量20 mm、激光功率4 kW、焊接速度0.42 mm/min、送絲速度5 m/min，焊接過程中采用氬氣保護，氣體流量為20 L/min。

采用金相顯微鏡觀察焊接接頭的微觀組織，金相腐蝕液為18 mL硫酸＋4 g錳酸鉀＋180 mL水。采用硬度試驗測量焊接接頭截面硬度分布，硬度試驗載荷為1 000 g，載荷保持時間為15 s。采用拉伸試驗測量焊接接頭的拉伸性能，按照GB/T 4334—2008《金屬和合金的腐蝕不銹鋼晶間腐蝕試驗方法》中的E法檢測焊接接頭晶間腐蝕情況。

2 試驗結果與討論

2.1 焊接接頭成形

采用前述焊接工藝，實現(xiàn)厚度30 mm的304LN不銹鋼板與Inconel 690合金板材對接焊接，所獲得的焊接接頭截面照片如圖1所示。由圖1可知，焊縫呈現(xiàn)出窄間隙焊接的特征，焊縫寬度僅為4 mm左右，且在厚度方向較為均勻，沒有出現(xiàn)側(cè)壁未熔合等焊接缺陷。此外，焊接熱裂紋一直是鎳基高溫合金焊接中常出現(xiàn)的缺陷，采用筆者所介紹的焊接工藝，可以很好地抑制焊接熱裂紋的出現(xiàn)。

圖1 焊接截面照片

2.2 焊接接頭金相組織

圖2所示為304LN不銹鋼母材金相組織，可以看出，304LN不銹鋼組織為等軸晶奧氏體組織，在奧氏體晶粒上，還存在著長條帶狀的黑色鐵素體條。圖3所示為Inconel 690合金母材金相組織，可以看出，Inconel 690合金母材為粗大的奧氏體組織，在奧氏體晶粒內(nèi)部還存在少量的孿晶組織。

圖4為焊縫底部4 mm厚度鈍邊的純激光焊接組織，這部分由純激光焊接實現(xiàn)連接，沒有填充金屬。這個區(qū)域的焊接組織呈現(xiàn)樹枝晶結構，黑色析出的為鐵素體，形態(tài)表現(xiàn)為骨架狀鐵素體，局部區(qū)域出現(xiàn)條狀鐵素體。

圖5為激光填絲焊部分焊縫金屬金相照片，可以看出，焊縫金屬呈現(xiàn)典型的樹枝晶結構，但是相對于底部鈍邊純激光焊接樹枝晶組織，填絲焊焊縫金屬樹枝晶的間距更小，反映出該部分金屬在焊接過程中冷卻凝固速度要低于純激光焊接段的金屬。此外，在金相組織上，由于焊縫金屬增加的是鎳-鉻焊絲，因此在奧氏體基體中析出大量的高鉻析出物；而在純激光焊接組織中，奧氏體中析出大量鐵素體組織。

圖2 304LN不銹鋼母材金相組織

圖3 Inconel690合金母材金相組織

2.3 焊接接頭性能

拉伸試驗結果表明，焊接接頭的抗拉強度均值達到591 MPa，見表4。斷裂的位置處于304LN不銹鋼母材部分，如圖6所示，這反映出焊縫金屬的抗拉性能要高于304LN不銹鋼母材。此外，由于304LN不銹鋼和Inconel 690合金都屬于奧氏體組織，高溫組織穩(wěn)定性良好，在焊接過程中熱循環(huán)對母材組織的影響較小，沒有出現(xiàn)明顯的熱影響區(qū)，因此焊接接頭具有良好的拉伸性能。

經(jīng)過晶間腐蝕試驗彎曲后焊縫照片如圖7所示?？梢钥吹?，在經(jīng)歷腐蝕和彎曲試驗后，焊縫沒有出現(xiàn)晶間裂紋，沒有晶間腐蝕傾向，表明所獲得的焊縫具有良好的耐腐蝕性、高韌性和抗晶間腐蝕能力。

圖4 底部4 mm鈍邊純激光焊接組織

圖5 填絲焊區(qū)域金相組織照片

圖6 焊接接頭拉伸試驗結果

表4 焊接接頭拉伸試驗結果

圖7 焊縫晶間腐蝕試驗結果

3 結論

筆者采用激光超窄間隙填絲焊技術，實現(xiàn)了材料厚度為30 mm的304LN不銹鋼和Inconel 690合金板材對接連接，焊縫具有良好的成形性能，在沒有側(cè)壁未熔合、熱裂紋等缺陷條件下，保持4 mm左右的焊縫寬度，體現(xiàn)出窄間隙的特征。

焊接組織分析發(fā)現(xiàn)，焊縫組織呈現(xiàn)典型樹枝晶結構，但是由于焊接工藝的不同，底部4 mm鈍邊純激光焊沒有填充金屬，金相組織表現(xiàn)為奧氏體基體上析出鐵素體，且組織細密，體現(xiàn)出激光焊接高冷卻速度的特點；而填絲焊部分填充金屬為鎳-鉻合金，表現(xiàn)為奧氏體基體析出高鉻相，且樹枝晶較純激光焊組織粗大，體現(xiàn)出焊接過程中金屬較低的冷卻速度。

拉伸試驗和晶間腐蝕試驗結果表明，筆者研究所獲得的焊接接頭具有良好的抗拉性能和抗晶間腐蝕性能，抗拉強度為591 MPa。

[1]程愿應,胡進，王漢生，等.厚鋼板激光焊接裝置的研究[J].應用激光，2002，22（2）：247-250.

[2]劉少林，劉正君，陶文，等.中厚板激光焊接跟蹤系統(tǒng)設計[J].電焊機，2013，43（6）：88-94.

[3]吳世凱,肖榮詩,陳鎧.大厚度不銹鋼板的激光焊接[J].中國激光，2009,36（9）:2422-2425.

[4]BUDDU R K,CHAUHAN N,RAOLE P M,et al.Studies on MechanicalProperties,MicrostructureandFracture Morphology Details of Laser Beam Welded Thick SS304L Plates for Fusion Reactor Applications[J].Fusion Engineeringand Design,2015,95:34-43.

[5]ZHANG M J,CHEN G Y,ZHOU Y,et al.Optimization of Deep Penetration Laser WeldingofThick Stainless Steel with a 10 kWFiber Laser[J].Materials and Design,2014,53:568 -576.

[6]陳根余,周宇,張明軍，等.大功率光纖激光厚板自熔焊焊縫表面質(zhì)量改善研究[J].中國激光，2013，40（11）：145-150.

[7]周春洋，王權，羅敬文.機器人光纖激光焊接TA15鈦合金的工藝研究[J].機械制造，2016，54（9）：92-94.

[8]黃堅.厚板窄間隙激光多層焊接技術進展[J].金屬加工（熱加工），2013（增2）：95-98.

[9]LI R Y,WANG T J,WANG C M，et al.A Study of Narrow Gap Laser Welding for Thick Plates Using the Multi-layer and Multi-pass Method[J].Optics and Laser Technology, 2014,64:172-183.

[10]DITTRICH D,SCHEDEWY R,BRENNER B,et al. Laser-multi-pass-narrow-gap-weldingofHotCrack Sensitive ThickAluminum Plates[J].Physics Procedia, 2013，41:225-233.

（編輯：平平）

Welding of thick-walled members is a key technical issue in nuclear power manufacturing.By technical study on the laser welding process for 304LN stainless steel and Inconel 690 alloy thick plate applied to nuclear power components,a 30 mm thick butt joint was obtained while the formation of weld,metallurgical structure of the welding seam,tensile property and intergranular corrosion were analyzed through metallographic observation and mechanical testing.Test results showthat the welding seam has a good forming performance,and it can maintain about 4 mm of the weld width,all these will reflect the characteristics of fine gap welding.Hence it is possible to confirm the validity of ultrafine gap welding with fiber laser for 304LN stainless steel and Inconel 690 alloy thick plate,which functions a reference for the application of ultrafine gap welding with fiber laser in nuclear power manufacturing.

不銹鋼；合金；焊接；應用

Stainless Steel；Alloy；Welding；Application

TH131.2；TG44

A

1672-0555（2017）02-016-04

2017年1月

郭寶超（1986—），男，碩士，工程師，主要從事核反應堆堆內(nèi)構件、控制棒驅(qū)動機構等焊接工藝及應用研究工作。