侯永濤，霍樹斌，，陳佩寅，徐鍇，陳波，郭梟

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1 序言

由于鎳基合金具有優(yōu)異的耐高溫性能和卓越的耐腐蝕能力，因此被廣泛應(yīng)用于航空航天、石油化工、火電及核電等領(lǐng)域，尤其是在核電主設(shè)備的制備中有著重要的應(yīng)用[1，2]。但鎳基合金具有液態(tài)金屬黏度大、焊接性差等特點(diǎn)，尤其是熱裂紋敏感性嚴(yán)重，在焊接過程中容易產(chǎn)生高溫失塑裂紋（Ductility-Dip Cracking，DDC）和結(jié)晶裂紋。作為行業(yè)內(nèi)未完全解決的難題，鎳基合金焊接性的研究及評判方法十分重要，基于此，本文介紹了幾種常用的研究鎳基合金焊接性的試驗方法，并評價了試驗方法的優(yōu)缺點(diǎn)，同時對鎳基合金焊接性研究方法的發(fā)展做出展望。

根據(jù)試驗本身的特點(diǎn)，可分為基于外部施加載荷的試驗和自拘束型試驗。

2 基于外部施加載荷的試驗

基于外部施加載荷的試驗是通過在外部施加應(yīng)力或者應(yīng)變誘發(fā)裂紋的產(chǎn)生，當(dāng)外部施加的應(yīng)變超過焊接結(jié)構(gòu)件的塑性時，焊接金屬或母材的熱影響區(qū)就會出現(xiàn)熱裂紋。此類試驗的特點(diǎn)是需要特定的儀器設(shè)備，并且可以使材料的焊接性高度定量化，可用于研究優(yōu)化合金成分或某種單一因素對材料焊接性的影響。

2.1 可調(diào)拘束試驗

可調(diào)拘束試驗是于20世紀(jì)60年代，由美國科學(xué)家開發(fā)的一種定量評估金屬熱裂紋敏感性的方法，其根據(jù)焊縫類型的不同可分為橫向可調(diào)拘束試驗、縱向可調(diào)拘束試驗和點(diǎn)狀可調(diào)拘束試驗[3-5]。操作步驟是將試板放置在相關(guān)的裝置上，在試板上開始焊接過程中，當(dāng)進(jìn)行焊接時，樣品在模具周圍以規(guī)定的彎曲速率彎曲，并在焊接過程結(jié)束時使用規(guī)定半徑的模型彎曲試樣以達(dá)到預(yù)定的應(yīng)變，如圖1所示[5]。彎曲模型的半徑r由板厚t和要施加的應(yīng)變ε決定，三者需滿足以下關(guān)系：

圖1 可調(diào)拘束試驗原理示意[5]

在試驗結(jié)束后可使用低倍顯微鏡測量試樣表面的裂紋長度，并以最大裂紋長度MCL（Maximum Cracking Length）或者裂紋總長度TCL（Total Cracking Length）作為依據(jù)來評價合金的焊接性[6]，但利用此試驗進(jìn)行合金焊接性定量化研究的最佳標(biāo)準(zhǔn)仍缺乏共識?；魳浔蟮萚7]通過在熔池內(nèi)放入一個熱電偶進(jìn)而獲得焊縫的冷卻曲線，經(jīng)過計算得到臨界應(yīng)變速率CSR（Critical Strain Rate）來作為評價依據(jù)，并認(rèn)為CSR是一項能夠反映材料焊接性各個影響參數(shù)變化的綜合指標(biāo)，CSR值越大，說明抵抗裂紋的能力也越強(qiáng)，焊接性越好；JOHN N. DuPont和STATHARAS D等[3，5]則利用最大裂紋距離MCD（Maximum Crack Distance）來作為評判依據(jù)。MCD指的是平行于焊接路徑的裂紋移動的最大距離，由于MCD不隨所施加應(yīng)變的增加而增加，因此MCD代表了材料裂紋敏感性的最大區(qū)域位置，MCD越小，代表材料的焊接性越好。

可調(diào)拘束試驗具有試驗操作簡單、應(yīng)用范圍廣泛的優(yōu)點(diǎn)，因此利用此試驗可有效地定量評價鎳基焊接材料的焊接性。自此試驗方法開發(fā)以來，已經(jīng)對原有的試驗進(jìn)行了大量改進(jìn)，并且在世界范圍內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用，尤其是在鎳基合金結(jié)晶裂紋的研究上。但此試驗?zāi)壳安⑽葱纬蓸?biāo)準(zhǔn)，最佳試驗裝置和一些影響試驗結(jié)果的參數(shù)，如應(yīng)變速率、試板規(guī)格以及焊接時間等缺少參考依據(jù)，同時此試驗的應(yīng)變量不是連續(xù)的，試驗結(jié)束后試板容易回彈，從而影響試驗結(jié)果。

2.2 熱塑性試驗

熱塑性試驗又叫高溫拉伸試驗，是一種基于Gleeble熱模擬試驗機(jī)來測定高溫合金塑性及抗拉強(qiáng)度的試驗方法，因為裂紋通常與材料的塑性耗盡有關(guān)，因此金屬材料的高溫塑性通?？梢杂脕肀碚鞑牧系暮附有訹3]。熱塑性試驗主要由加熱試驗和冷卻試驗兩部分組成[8-10]，在加熱過程中大部分材料的塑性會隨著溫度的增加而增加，之后突然下降，如圖2所示。這種塑性的急劇下降與在此溫度下材料開始熔融有關(guān)，將材料塑性降為零時的溫度稱為零延展性溫度NDT（Nil Ductility Temperature），此時雖然材料的塑性為零，但其仍然具有一定的強(qiáng)度；繼續(xù)加熱便會得到使材料強(qiáng)度為零的溫度點(diǎn)，此溫度點(diǎn)稱為零強(qiáng)度溫度NST（Nil Strength Temperature）；在之后的冷卻過程中，材料的塑性會慢慢恢復(fù)，將材料塑性開始恢復(fù)的溫度稱為塑性恢復(fù)溫度DRT（Ductility Recovery Temperature），這些數(shù)據(jù)加上斷面收縮率便可判斷材料的焊接性[9]。

圖2 熱塑性特征示意[3]

2.3 STF試驗

STF試驗（Strain-to-Fracture Test）是由美國俄亥俄州立大學(xué)學(xué)者NISSLEY和LIPPOLD于21世紀(jì)初開發(fā)，是一種基于Gleeble熱模擬試驗機(jī)專門用來量化研究鎳基合金中DDC敏感性的試驗方法[11，12]。DDC即高溫失塑裂紋，是通常發(fā)生在固相線以下的開裂現(xiàn)象，具有尺寸微小、難以檢測、潛在危害較大等特點(diǎn)，直至今日仍然是鎳基合金焊接結(jié)構(gòu)中未完全解決的問題[13-15]。之前的研究表明，金屬材料的DDC敏感性可通過塑性下降溫度區(qū)間DTR（Ductility-dip Temperature Range）和開裂應(yīng)變閾值來進(jìn)行量化[16]，DTR越窄或者應(yīng)變閾值越大，代表DDC敏感性越低，焊接性越好。而STF試驗是在多個不同溫度點(diǎn)下對試樣施加不同的應(yīng)力直至開裂，從而確定在每個溫度點(diǎn)下材料的應(yīng)變閾值（應(yīng)變閾值：材料發(fā)生斷裂所需最小應(yīng)變），獲取溫度-應(yīng)變閾值曲線，并通過此曲線獲取試驗材料的DTR和應(yīng)變閾值，從而達(dá)到量化研究材料焊接性的目的。

STF試驗的樣品制備簡單，測試的變量連續(xù)且可控，便于研究分析某單一因素的變化對焊接性的影響；可重復(fù)性強(qiáng)，可重復(fù)試驗排除偶然因素，所得結(jié)果人為因素的影響較小。目前研究人員利用該方法對多種鎳基合金進(jìn)行了DDC敏感性試驗，證明是一種可量化合金DDC敏感性的可靠且可重復(fù)的試驗[17，18]。

2.4 PVR試驗

PVR試驗（Programmierter Verformungs Riss Test）也叫平板拉伸試驗，整個試驗過程的最大特點(diǎn)是平板拉伸與焊接過程同時進(jìn)行，并以出現(xiàn)第一條裂紋的臨界拉伸速度vcr作為衡量焊接性的標(biāo)準(zhǔn)，這是因為vcr與材料的臨界應(yīng)變速率CSR具有相關(guān)性，vcr越大，說明所測樣品的抗裂性越好[19，20]。PVR試驗中出現(xiàn)的裂紋是焊接過程和外部拉伸載荷共同作用的結(jié)果，PVR試驗如圖3所示[21]。臨界拉伸速度vcr通過式（2）計算：

圖3 PVR試驗示意[21]

式中vcr——臨界拉伸速度（mm/min）；

a——平板拉伸的加速度（mm/min）；

L1stHC——第一條裂紋出現(xiàn)的距離（mm）；

vW——焊接速度（mm/min）。

PVR試驗旨在評估焊接工藝對熱裂紋的影響，可用于測試母材、焊縫接頭以及熔敷金屬的試樣，允許的焊接工藝、填充金屬、焊接消耗品（保護(hù)氣體、藥皮）和焊接參數(shù)的變化；并且可以區(qū)分DDC、結(jié)晶裂紋和液化裂紋，具有復(fù)雜性低、可重復(fù)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)CAROLIN Fink等[21-23]研究表明，PVR試驗是一種在定量研究鎳基合金焊接性方面，最適合在國際范圍內(nèi)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化的試驗方法。

3 自拘束型試驗

自約束型試驗不需要外部施加應(yīng)力，因為應(yīng)力可以通過受約束的焊接過程產(chǎn)生，其特點(diǎn)是不需要特定的試驗裝置，并且可以模擬真實(shí)的焊接條件，但只能定性或者半定量地研究材料的焊接性。自約束型試驗適用于在工程應(yīng)用方面材料的選擇以及工藝的評定。

3.1 重熔試驗

重熔試驗是在受約束的塊狀樣品表面進(jìn)行多次重熔，記錄在熱影響區(qū)出現(xiàn)的裂紋總長度與其對應(yīng)的重熔次數(shù)，獲得重熔次數(shù)與裂紋總長度的關(guān)系曲線，并以此來判斷材料的焊接性[24，25]。重熔試驗的裝置（見圖4），其中試樣的尺寸為50mm×40mm×7mm，并沿圖4中所示的紅線焊接在一塊200mm×60mm×6mm的鋼板上，將鋼板夾緊以保證良好的約束。整個裝置位于一個φ300mm、高70mm的圓柱體空間內(nèi)，這個圓柱體的作用是為了保證整個試驗過程都在氬氣的氣氛中進(jìn)行。由于氬氣的密度比空氣大，因此在試驗過程中可以保證氬氣分布在整個裝置的底部，防止焊接過程中試樣氧化。52M合金和152合金的重熔試驗結(jié)果（見圖5）[24]，從中很容易看出152合金的焊接性更好。

圖4 重熔試驗裝置示意[25]

圖5 兩種不同690鎳基合金重熔試驗結(jié)果[24]

重熔試驗具有不需要太多試驗材料、易于實(shí)施和更接近實(shí)際焊接環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)，但缺點(diǎn)也很明顯，例如試驗過程較為繁瑣，在每次重熔后就需要充一次氬氣以保證下次重熔時試樣不會被氧化；另外，由于裂紋需要人工計數(shù)，所以試驗結(jié)果的人為因素干擾較大。此試驗并不是對每種類型的鎳基合金都敏感，還需要進(jìn)一步的調(diào)查研究來確定此試驗方法的可靠性。

3.2 大厚度裂紋試驗

大厚度裂紋試驗是先在母材上堆焊特定尺寸的大厚度熔敷金屬，然后沿著橫向、縱向分別切片取樣，每個切片大面經(jīng)過磨床加工后進(jìn)行PT檢測，然后使用顯像劑使殘留在缺陷中的滲透劑通過毛細(xì)作用顯現(xiàn)在表面上，觀察并記錄在切片上的裂紋數(shù)量及尺寸，并以此來定量評價材料的焊接性，如圖6所示[7]。

圖6 大厚度裂紋試驗示意[11]

鎳基合金焊材在核電上應(yīng)用時，其焊接隔離層和密封面堆焊層所需的厚度都比較大，需要進(jìn)行多層多道堆焊，因此熔敷金屬內(nèi)部產(chǎn)生的焊接殘余應(yīng)力較大。在正常條件下焊接時，容易產(chǎn)生裂紋缺陷，而大厚度裂紋試驗?zāi)M了核電工程應(yīng)用中的大厚度堆焊應(yīng)力狀態(tài)，因此在核電工程應(yīng)用的材料選擇上是一種有效的評價材料焊接性的方法，具有重要的工程指導(dǎo)意義。

3.3 高拘束窄間隙試驗

為了模擬高約束的焊接環(huán)境，McCRACKEN S L和TATMAN J K[26]開發(fā)了一種窄間隙高約束的試驗方法，如圖7所示。在窄間隙的凹槽里進(jìn)行多層多道焊，由于超高的約束使得熔敷金屬內(nèi)部產(chǎn)生了很大的應(yīng)力，所以模擬了真實(shí)焊接環(huán)境中的應(yīng)力和拘束情況；在焊接過程結(jié)束后，與大厚度裂紋試驗類似，需要在特定的位置將其拋開檢查開裂情況，并以此來評價鎳基合金的焊接性。

圖7 窄間隙高拘束試驗[26]

4 結(jié)束語

1) 基于外部施加載荷的試驗使用的是小規(guī)模的試樣，試驗需要特定的儀器裝置，施加到這些試樣上的應(yīng)力和應(yīng)變無法模擬實(shí)際的焊接環(huán)境，但此類試驗可使鎳基合金焊接性的研究高度定量化，適用于合金成分優(yōu)化的研究。

2） 自拘束性試驗旨在模擬真實(shí)的焊接環(huán)境，不需要特定的試驗裝置，但只能定性或半定量的研究材料的焊接性，適用于材料的選擇以及工藝的評定。

3） 焊接性試驗是評估鎳基合金性能的一個重要的方法，其未來發(fā)展應(yīng)將重點(diǎn)放在對已有試驗的優(yōu)化以及標(biāo)準(zhǔn)化上，而不是開發(fā)新的試驗方法。