魏世同，劉琛，賈昕，陸善平，李依依

(1.中國(guó)科學(xué)院,核用材料與安全評(píng)價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,沈陽(yáng),110016；2.中國(guó)科學(xué)院金屬研究所,沈陽(yáng)材料科學(xué)國(guó)家研究中心,沈陽(yáng),110016；3.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué),沈陽(yáng),110016)

0 序言

為解決世界范圍內(nèi)的能源短缺問(wèn)題，滿足急速增長(zhǎng)的能源需求，快中子反應(yīng)堆和聚變反應(yīng)堆成為研究熱點(diǎn)，其要求堆內(nèi)結(jié)構(gòu)材料承受更高的工作溫度、壓力和輻照通量，以及更復(fù)雜的腐蝕環(huán)境[1-3].傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)材料在該環(huán)境下性能無(wú)法滿足要求，因此，新型結(jié)構(gòu)材料的研發(fā)成為制約核技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸，含有彌散分布納米氧化物的氧化物彌散強(qiáng)化合金(oxide dispersion-strengthened alloy，ODS)鋼因其具有符合堆內(nèi)構(gòu)件服役條件的性能而成為可能的核用材料[4-6].

材料的焊接性是決定其能否在核工業(yè)中應(yīng)用的一個(gè)關(guān)鍵因素，以O(shè)DS 鋼制造的核用組件不可避免地要進(jìn)行焊接裝配，目前還未有成熟的ODS 鋼焊接方法，采用傳統(tǒng)的熔化焊方法，如氬弧焊、電子束焊等，容易導(dǎo)致形成氣孔，焊縫區(qū)晶粒長(zhǎng)大以及納米析出相溶解、粗化甚至團(tuán)簇，大幅惡化接頭性能，開(kāi)發(fā)出適合ODS 鋼的焊接新工藝對(duì)于其在核領(lǐng)域的推廣應(yīng)用具有十分重要的實(shí)際意義[7-9].電阻點(diǎn)焊由于焊接速度快、熱輸入小，對(duì)保持ODS 鋼細(xì)小的晶粒尺寸和納米析出相有利，可作為潛在的一種ODS 鋼焊接方法.反應(yīng)堆堆芯燃料包殼與端塞可采用電阻點(diǎn)焊進(jìn)行焊接，但目前對(duì)ODS 鋼電阻點(diǎn)焊性的研究還很少[10-12].

文中針對(duì)9CrYWT-ODS 鋼進(jìn)行一系列電阻點(diǎn)焊試驗(yàn)，對(duì)焊點(diǎn)組織及力學(xué)性能進(jìn)行了表征，分析了焊點(diǎn)不同區(qū)域的微觀組織、氧化相尺寸和分布及不同焊接電流條件下焊點(diǎn)熔核尺寸及拉伸剪切性能，提出了合適的焊接電流范圍，研究結(jié)果可用于指導(dǎo)核電部件用ODS 鋼電阻點(diǎn)焊工藝參數(shù)的優(yōu)化選擇.

1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)材料為0.8 mm 厚核用9CrYWT-ODS 鋼，化學(xué)成分如表1 所示.點(diǎn)焊采用搭接接頭形式如圖1 所示，所用設(shè)備為中頻逆變點(diǎn)焊機(jī)，電極為端部半徑35 mm 的球面電極.

表1 9CrYWT-ODS 鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)Table 1 Chemical compositions of 9CrYWT-ODS steel

圖1 點(diǎn)焊接頭尺寸圖(mm)Fig.1 Dimensional drawing of the spot welded joint

試驗(yàn)所用電極壓力和焊接時(shí)間分別為4.0 kN和400 ms，焊接電流變化如表2 所示.觀察點(diǎn)焊接頭不同位置微觀組織及氧化相分布情況，測(cè)試不同焊接電流條件下的熔核尺寸、最大拉伸剪切力及相應(yīng)失效方式，并以此為依據(jù)制定焊接電流范圍.按照GB/T 39167—2020《電阻點(diǎn)焊及凸焊接頭的拉伸剪切試驗(yàn)方法》采用AG-100KNG 型電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸剪切試驗(yàn).焊點(diǎn)拉剪試驗(yàn)速度為2 mm/min，拉剪曲線上的最大力為焊點(diǎn)的最大拉伸剪切力.焊點(diǎn)組織觀察試樣經(jīng)粗磨、精磨、拋光后用1 g 苦味酸+5 mL 鹽酸+100 mL 酒精的溶液侵蝕，采用Axio Observer Z1 型光學(xué)顯微鏡和ZEISSGemini SEM 型掃描電鏡觀察焊點(diǎn)不同位置組織和氧化相尺寸及分布情況.

表2 焊接電流、飛濺情況及拉剪失效方式Table 2 Welding current,splash situation and tensile shear failure mode

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 點(diǎn)焊工藝性

不同焊接電流條件下9CrYWT-ODS 鋼點(diǎn)焊情況如表2 所示，由表2 可知，當(dāng)點(diǎn)焊電流低于4 kA時(shí)，熱輸入過(guò)低，未焊合，當(dāng)點(diǎn)焊電流在4.0～ 7.0 kA之間時(shí)可形成焊點(diǎn)，而當(dāng)點(diǎn)焊電流高于7.0 kA 時(shí)，由于熱輸入過(guò)大導(dǎo)致形成點(diǎn)焊飛濺，飛濺的形成會(huì)惡化焊點(diǎn)性能.

2.2 焊點(diǎn)組織

圖2 為焊接電流6.8 kA 時(shí)9CrYWT-ODS 鋼焊點(diǎn)橫截面宏觀組織照片.由圖2 可知，焊點(diǎn)根據(jù)宏觀組織不同可分為4 個(gè)區(qū)域，分別為熔核區(qū)(weld nugget，WN)、熱影響區(qū)相變區(qū)(heat affected zone phase transformation zone，HAZ1)、熱影響區(qū)回火區(qū)(heat affected zone tempering zone，HAZ2)和母材(base metal，BM).點(diǎn)焊過(guò)程中熔核區(qū)熔化后重新凝固，熱影響區(qū)相變區(qū)加熱溫度高于加熱時(shí)馬氏體向奧氏體轉(zhuǎn)變的溫度Ac1，該區(qū)域組織在焊接熱作用下會(huì)發(fā)生相變，而熱影響區(qū)回火區(qū)加熱溫度低于Ac1，該區(qū)域組織在焊接過(guò)程中不發(fā)生相變.

圖2 焊點(diǎn)橫截面宏觀形貌Fig.2 Macrograph of the cross section of the spot weld

圖3 為焊接電流6.8 kA 時(shí)焊點(diǎn)處母材區(qū)、熱影響區(qū)及熔核區(qū)的微觀組織.由圖3 可知，母材、熱影響區(qū)不同位置及熔核區(qū)中心位置均為馬氏體組織，而熔核區(qū)邊緣位置由于冷卻速度較快，部分δ 鐵素體(圖3e 中箭頭所指位置)來(lái)不及轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體而保留在最終組織中，如圖3e 所示.

圖3 焊點(diǎn)微觀組織Fig.3 Microstructure of spot weld.(a) BM;(b) HAZ2;(c) HAZ1;(d) center of WN;(e) edge of WN

圖4 為焊接電流6.8 kA 時(shí)焊點(diǎn)處母材區(qū)、熱影響區(qū)不同位置及熔核區(qū)氧化相尺寸及分布情況.圖4a 為母材氧化相分布情況，其中均勻彌散分布著大量尺寸小于50 nm 的氧化相顆粒，同時(shí)存在少量尺寸大于200 nm 的氧化相顆粒(圖4a 中箭頭所指位置)，但數(shù)量較少，圖4b為熱影響區(qū)回火區(qū)內(nèi)氧化物分布情況，與母材無(wú)明顯區(qū)別，其中同樣均勻彌散分布著大量尺寸小于50 nm 的氧化相顆粒，同時(shí)存在少量尺寸較大的氧化相顆粒(圖4b 中箭頭所指位置)，說(shuō)明熱影響區(qū)回火區(qū)較低的加熱溫度對(duì)氧化相的尺寸無(wú)明顯影響，熱影響區(qū)相變區(qū)內(nèi)氧化相分布情況如圖4c 所示，與母材相比(圖4a)，其中小尺寸(小于50 nm)氧化相的數(shù)量明顯減少(圖4c 中箭頭所指位置)，大尺寸氧化相的數(shù)量明顯增多(大于300 nm)，且有進(jìn)一步聚集長(zhǎng)大的趨勢(shì)，這是由于熱影響區(qū)相變區(qū)加熱溫度較高，氧化物的穩(wěn)定性降低，導(dǎo)致部分氧化相發(fā)生聚集長(zhǎng)大，圖4d 為熔核區(qū)內(nèi)氧化物分布情況，由于熔核區(qū)溫度很高，已無(wú)法觀察到小尺寸(小于50 nm)氧化相，小尺寸氧化相全部聚集長(zhǎng)大，尺寸超過(guò)500 nm.

圖4 焊點(diǎn)內(nèi)氧化相Fig.4 Oxides in spot welds.(a) BM;(b) HAZ2;(c) HAZ1;(d) WN

2.3 焊點(diǎn)性能

圖5 為不同焊接電流條件下9CrYWT-ODS 鋼焊點(diǎn)熔核尺寸及最大拉伸剪切力.由圖5a 可知，焊接電流增大，熔化金屬量增多，導(dǎo)致焊點(diǎn)熔核尺寸增大，繼續(xù)增大電流到飛濺產(chǎn)生時(shí)，焊點(diǎn)內(nèi)熔化金屬量減少，導(dǎo)致熔核尺寸減小[12].焊點(diǎn)最大拉伸剪切力隨焊接電流變化趨勢(shì)與熔核尺寸相同，如圖5b 所示，隨著焊接電流增大，最大拉伸剪切力增加，當(dāng)發(fā)生飛濺而引起熔核尺寸減小時(shí)，焊點(diǎn)最大拉伸剪切力相應(yīng)降低[13-14].

圖5 焊接電流對(duì)焊點(diǎn)熔核直徑及最大拉伸剪切力的影響Fig.5 Effect of welding current on nugget diameters and maximum tensile shear force of spot welds.(a)nugget diameter;(b) maximum tensile shear force

由表2 可知，不同焊接電流條件下，焊點(diǎn)在拉伸剪切試驗(yàn)過(guò)程的失效方式不同.隨著焊接電流的增大，拉伸剪切失效方式由界面失效逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)椴糠纸缑?部分焊點(diǎn)拔出失效，繼續(xù)增大焊接電流，失效方式將進(jìn)一步轉(zhuǎn)變?yōu)橥耆更c(diǎn)拔出失效.但當(dāng)焊接電流過(guò)大而發(fā)生飛濺時(shí)，拉伸剪切失效方式將再次轉(zhuǎn)變?yōu)椴糠纸缑?部分焊點(diǎn)拔出失效和界面失效.焊點(diǎn)拉剪過(guò)程失效方式也與熔核尺寸有關(guān)，尺寸較大時(shí)傾向于焊點(diǎn)拔出失效方式.圖6 為不同失效方式的試樣宏觀組織照片.對(duì)于電阻點(diǎn)焊，一般認(rèn)為拉剪過(guò)程中得到完全焊點(diǎn)拔出失效方式時(shí)焊點(diǎn)性能較好，據(jù)此可確定合適的焊接電流范圍為6.6～ 7.0 kA.

圖6 焊點(diǎn)拉剪試驗(yàn)失效方式Fig.6 Failure modes of the spot welds during tensile shear tests.(a) interfacial mode (welding current 4.8 kA);(b) partial interfacial-partial pullout mode(welding current 6.0 kA);(c) fully pullout mode(welding current 6.8 kA)

3 結(jié)論

(1) 對(duì)9CrYWT-ODS 鋼進(jìn)行電阻點(diǎn)焊試驗(yàn)，焊點(diǎn)母材、熱影響區(qū)不同位置及熔核區(qū)中心位置均為馬氏體組織，而熔核區(qū)邊緣位置由于冷卻速度較快而保留部分δ 鐵素體.

(2) 焊點(diǎn)不同區(qū)域受熱影響的差異導(dǎo)致氧化相的尺寸存在明顯差異，熱影響區(qū)回火區(qū)溫度較低，氧化相分布情況與母材基本一致，其中主要為均勻彌散分布的細(xì)小氧化相顆粒，熱影響區(qū)相變區(qū)溫度較高，小尺寸氧化相明顯減少，大尺寸氧化相明顯增多，且有進(jìn)一步聚集長(zhǎng)大的趨勢(shì)，熔核區(qū)溫度很高，氧化相明顯粗化.

(3) 隨著焊接電流的增大，焊點(diǎn)的熔核尺寸和力學(xué)性能均得到改善，拉伸剪切失效方式由界面失效逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)椴糠纸缑?部分焊點(diǎn)拔出失效及完全焊點(diǎn)拔出失效，繼續(xù)增大焊接電流到飛濺產(chǎn)生時(shí)，熔核尺寸減小導(dǎo)致力學(xué)性能惡化，拉伸剪切失效方式再次轉(zhuǎn)變?yōu)椴糠纸缑?部分焊點(diǎn)拔出失效和界面失效，據(jù)此可確定合適的焊接電流范圍為6.6～ 7.0 kA.