陳國慶，滕新顏，張戈，曹慧

(1.哈爾濱工業(yè)大學,先進焊接與連接國家重點實驗室,哈爾濱,150001；2.北京航天新立科技有限公司,北京,100854)

0 序言

當今世界對控制碳排放日益重視，發(fā)展清潔能源成為未來的趨勢，核電是公認的清潔能源[1].鋯的熱中子吸收截面極低，在反應(yīng)堆內(nèi)的輻照脆性低，在高溫高壓水蒸氣中，也具有極佳的抗腐蝕性，同時純鋯力學性能適中，加工性能良好，與鈾燃料相容性良好，可以提升鈾燃料使用效率，因此被大量應(yīng)用于燃料包殼管、定位隔架、元件盒等部件[2].鎳具有更好的耐腐蝕性，常被用作核工業(yè)中的結(jié)構(gòu)材料，因此在反應(yīng)堆中使用純鋯與純鎳焊接接頭部件，鋯/鎳接頭的性能成為重要分析內(nèi)容.

純鋯熔化后液態(tài)金屬流動性良好，裂紋敏感性低，但化學性質(zhì)活潑，高溫下會與空氣中的O，N 和H 元素反應(yīng)[3-4]，純鋯熔點高于純鎳，但熱膨脹系數(shù)僅為純鎳的1/2，同時熱導率低，導熱性差，比熱容低，較小的能量改變就會使溫度急劇變化，造成較高的殘余應(yīng)力與熱應(yīng)力.純鎳的焊接性良好，但導熱性差，焊接熱量不易散出，容易過熱，造成晶粒粗大[5].純鎳/純鋯之間冶金相容性差[6-7]，相互間溶解度極低，Ni 元素在α-Zr 中的最大溶解度小于0.8%，而Zr 元素在γ-Ni 中的溶解度也僅有0.6%，幾乎只能生成NiZr，NiZr2和Ni5Zr 等金屬間化合物.純鎳/純鋯間可能發(fā)生的共晶反應(yīng)眾多，例如在1 170 ℃生成γ-Ni+Ni5Zr，增加接頭脆性[8-9]，在高殘余應(yīng)力的共同作用下促進焊接裂紋生成[10]，控制接頭殘余應(yīng)力對提升接頭性能具有重要意義.

鑒于以上純鋯/純鎳焊接的問題，采用電弧焊、激光焊等方法難以得到高質(zhì)量的焊接接頭，目前缺少熔化焊的研究.與其它熔焊方法對比，電子束焊采用真空保護，隔絕了空氣的影響，具有能量密度高，熱影響區(qū)寬度小的特點[11-12].文中在鋯管/鎳棒環(huán)焊縫電子束焊接過程中，通過偏束與掃描調(diào)節(jié)焊縫組織，得到了(γ-Ni+Ni5Zr)共晶+Ni5Zr 枝晶復(fù)合結(jié)構(gòu)接頭，降低了接頭殘余應(yīng)力，抑制了裂紋的產(chǎn)生，接頭最高強度達到189 MPa，實現(xiàn)了純鋯管與純鎳棒的有效連接.應(yīng)力對裂紋產(chǎn)生有重要影響，難以進行實際測量，因此通過理論計算結(jié)合有限元模擬，根據(jù)接頭殘余應(yīng)力、熱應(yīng)力和焊接溫度場的特點，闡明了裂紋產(chǎn)生機制.

1 試驗方法

試驗材料為純鋯管與純鎳棒，材料尺寸如圖1 所示，鎳棒前端帶有10 mm 長的小圓柱，總長80 mm，鋯管總長80 mm，內(nèi)徑?8.36 mm，外徑?9.5 mm.裝配時將鋯管套在鎳棒的小圓柱上，采用過盈配合的方式固定試件，母材主要成分見表1，母材間的主要力學性能有很大差異見表2.母材組織形貌如圖2 所示，純鋯母材呈典型的軋制態(tài)結(jié)構(gòu)，純鎳母材為孿晶形貌的單相奧氏體組織，晶粒沿軸向有拉長.試驗設(shè)備為法國MEDARD45 型脈沖電子束焊機，其加速電壓為20～ 60 kV，焊接束流為0～ 100 mA，真空度可達5 × 10-2MPa.工件由真空腔內(nèi)三爪卡盤夾持旋轉(zhuǎn)，電子束聚焦于純鋯/純鎳 界面位置，完成焊接過程.

表1 純鎳與純鋯化學成分(質(zhì)量分數(shù)，%)Table 1 Compositions of Ni and Zr

表2 純鎳與純鋯物理性能(室溫)Table2 Properties of Ni and Zr

圖1 裝夾示意圖(mm)Fig.1 Schematic diagram

圖2 母材光學顯微組織Fig.2 Microstructure of base metal.(a) pure zirconium;(b) pure nickel

電子束焊接工藝參數(shù)見表3，在各組試驗中聚焦位置均為工件表面，加速電壓55 kV，焊接束流6 mA，加入掃描以保證接頭氣密性.對中焊接產(chǎn)生了裂紋缺陷，因此進行了偏鋯和偏鎳焊接試驗，通過改變偏束方向與距離，降低接頭殘余應(yīng)力，對焊接裂紋進行抑制.

表3 電子束焊接工藝參數(shù)Table 3 Electron beam welding process parameters

在ABAQUS 有限元計算中，建立與實際材料尺寸一致的完整模型，焊縫部位網(wǎng)格分割時采用細化網(wǎng)格，長度方向網(wǎng)格邊長約為0.1 mm，在鋯管的厚度方向分為8 層，夾持部位也采用細化的網(wǎng)格，網(wǎng)格尺寸約1 mm，其它部位采用過渡網(wǎng)格，直到網(wǎng)格尺寸為5 mm，分割完成后，模型共計有51 590 個節(jié)點，46 752 網(wǎng)格，如圖3 所示.純鋯、純鎳的熱物理參數(shù)來自《中國材料工程大典》[13]與外延推導.

圖3 網(wǎng)格劃分示意圖Fig.3 Schematic diagram of mesh.(a) overall mesh partitioning;(b) transition mesh

在保證結(jié)果準確性的前提下，合理的簡化初始條件與邊界條件對于提升計算速度有重要意義[14].基于實際情況，對熱-力耦合分析過程、位移邊界條件和熱邊界條件做出以下簡化與設(shè)定：①設(shè)定材料初始溫度與環(huán)境溫度為25 ℃，設(shè)定材料的各熱物理參數(shù)為溫度的函數(shù)，結(jié)晶潛熱通過簡化設(shè)置材料比熱容進行，忽略熔池流動作用，設(shè)定焊接過程為熱-力耦合準穩(wěn)態(tài)過程；②夾具與試件接觸面設(shè)定6 個自由度為0，另一端為自由端，假設(shè)管與棒之間沒有相對滑動；③在焊接與冷卻過程中，輻射邊界條件為20 W/(m2·K)，冷卻時表面對流換熱條件參數(shù)為20 W/(m2·K)，夾持部位的對流換熱系數(shù)為2 000 W/(m2·K).

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 接頭形貌與組織

不同焊接參數(shù)下接頭截面形貌如圖4 所示，接頭呈現(xiàn)碗狀形貌，焊縫內(nèi)部均由腐蝕后呈現(xiàn)黑色的(γ-Ni+Ni5Zr) 共晶及白色的 Ni5Zr 枝晶的復(fù)合結(jié)構(gòu) 組成[15].各焊接參數(shù)下均在鋯側(cè)熔合線生成連續(xù)脆性反應(yīng)層，宏觀裂紋均由此處產(chǎn)生，是接頭的薄弱區(qū)域.偏鋯焊接時宏觀裂紋從鎖底處貫穿延伸至焊縫頂部，IMCs 層有較多微觀裂紋，顯示接頭有較大殘余應(yīng)力，同時鋯管有明顯的膨脹變形，顯示接頭在焊接過程中的較大熱應(yīng)力，隨著下束位置偏向純鎳一側(cè)，裂紋逐漸被抑制，在對中焊接中，鎖底處的裂紋只延伸至焊縫內(nèi)部，偏純鎳 0.3 mm 焊接初步抑制了裂紋，當偏束量達到 0.5 mm，裂紋完全消失.

圖4 接頭宏觀成形Fig.4 Macrosco pic morphology of the joint.(a) deflect 0.5 mm towards Zr;(b) deflect 0.3 mm towards Zr;(c) direct welding;(d) deflect 0.3 mm towards Ni;(e) deflect 0.5 mm towards Ni;(f) microstructure of the weld of deflect 0.5 mm towards Zr

在拉伸試驗中，基于國家標準GB6397-86《金屬拉伸試驗試樣》的要求，采用全截面管段試樣標距50 mm，裝配示意圖和力學性能測試如圖5 所示.兩組偏純鋯焊接的接頭由于宏觀裂紋的產(chǎn)生，拉伸試樣在萬能試驗機上的裝配階段就已經(jīng)失效，最終的有效數(shù)據(jù)如圖5b 所示，對中焊接的接頭強度僅有36.4 MPa，偏鎳焊接有效提升了接頭強度，偏束量為0.5 mm 時接頭強度最高，達到189 MPa.接頭膨脹變形與開裂程度與殘余應(yīng)力有關(guān)，最終影響力學性能，采用有限元分析結(jié)合理論計算對接頭應(yīng)力特點進行分析.

圖5 接頭力學性能測試Fig.5 Mechanical properties test results.(a) schematic diagram of the clamping setup for tensile testing;(b) results of tensile testing

2.2 接頭殘余應(yīng)力分析

試驗中接頭形式為環(huán)焊縫，目前缺乏對這種接頭形式應(yīng)力分布特點的分析，純鎳較大的線膨脹系數(shù)會導致受熱后明顯膨脹，對鋯管內(nèi)壁產(chǎn)生較大的壓力，導致徑向應(yīng)力的產(chǎn)生，首先對薄壁管徑向應(yīng)力與環(huán)向應(yīng)力的關(guān)系進行分析.

鋯管的示意圖如圖6 所示，長度為L，外徑為R，內(nèi)徑為r,假設(shè)管與棒之間接觸界面不產(chǎn)生滑移現(xiàn)象與協(xié)調(diào)變形，忽略軸向應(yīng)力與焊縫對應(yīng)力的影響，在薄壁管的任意一點，取角度dθ進行微分，則微分區(qū)域的面積dS，即

圖6 微分示意圖Fig.6 Schematic diagram of differential

式中：dfs為微分區(qū)域的合力，微分面積上的分力，即

式中：σ11為徑向應(yīng)力，整個半圓垂直于剖面的力進行積分求得合力，即

式中：e為壁厚，即外徑減去內(nèi)徑在不同壁厚位置的應(yīng)力也應(yīng)當有區(qū)別，但薄壁管外徑遠大于壁厚，因此近似各個厚度的應(yīng)力一致，將R修正為平均半徑rxˉ最終環(huán)向應(yīng)力,即

帶入相應(yīng)尺寸參數(shù)計算得到環(huán)向應(yīng)力的理論值達到徑向應(yīng)力的15.7 倍，以上理論計算說明接頭可能存在較高的環(huán)向應(yīng)力，即

由于軸向應(yīng)力會對力的平衡條件產(chǎn)生影響，達到屈服條件后殘余應(yīng)力也會釋放，實際環(huán)向應(yīng)力與徑向應(yīng)力的比值低于理論計算值，難以實際測量焊接溫度場與殘余應(yīng)力場，因此采用商用有限元軟件ABAQUS 對工件建立三維有限元模型，采用熱-力耦合分析模塊，在不同焊接參數(shù)下，對鋯管/鎳棒環(huán)焊縫電子束焊接過程中的溫度場與應(yīng)力場進行分析，揭示了焊接溫度場特點與焊后殘余應(yīng)力特點，對于優(yōu)化工藝參數(shù)與焊接裂紋的產(chǎn)生機理具有指導意義.

真空環(huán)境中只能通過夾具與輻射散熱，熱量積累會導致焊縫各個區(qū)域的熱循環(huán)過程具有差異，可能對殘余應(yīng)力產(chǎn)生較大的影響，首先對環(huán)焊縫溫度場特點進行分析，數(shù)據(jù)取樣位置如圖7 所示.首先對鎖底處的熱循環(huán)曲線進行提取，提取位置為環(huán)焊縫典型的0°，90°，180°和270°的4個位置，如圖7a 所示，依次簡寫為A，B，C 和D.而應(yīng)力取樣曲線如圖7b 所示，從鎳一側(cè)沿著軸線向鋯一側(cè)取樣.

圖7 數(shù)據(jù)取樣位置示意圖Fig.7 Schematic diagram of data sampling location.(a) temperature sampling locations;(b) stress sampling paths

A，B，C 和D 的熱循環(huán)曲線如圖8 所示.A 位置由于焊接結(jié)束時電子束環(huán)繞焊縫一周回到原點，因此有2 次加熱冷卻的過程，首次被加熱時最高溫度僅有906 ℃，在第二次加熱時由于試樣沒有冷卻到室溫，達到最高溫度2 136 ℃，而B 位置的再熱作用已經(jīng)不明顯，因此在焊接起始位置有明顯的再熱過程.在B，C 和D 位置處的焊縫，焊接過程中的降溫過程幾乎都是由最高溫度下降至400～ 500 ℃，在此溫度區(qū)間停留20～ 30 s 緩慢下降至室溫，由于純鋯管的半徑較小，焊縫為環(huán)焊縫的形式，同時散熱速度慢，熱量積累使后續(xù)位置的峰值溫度從1 698 ℃逐漸上升到1 837 ℃.

圖8 對中焊接熱循環(huán)曲線Fig.8 Thermal cycle of direct welding

為了分析偏束對接頭熱循環(huán)的影響，不同參數(shù)下A、B、C、D 位置的熱循環(huán)曲線如圖9 所示，與對中焊接相同，在不同工藝參數(shù)下，焊接順序靠后的部位峰值溫度不斷上升.隨著偏束的加入，焊縫中心的最高溫度隨偏束量的上升而下降，例如在環(huán)焊縫的中部，即位置C 處，最高溫度由對中焊接的1 718 ℃下降到最低1 462 ℃.

圖9 偏束焊接熱循環(huán)曲線Fig.9 Thermal cycle of offset welding.(a) position A;(b) position B;(c) position C;(d) position D

偏鋯焊接時鋯管有明顯的膨脹變形，發(fā)生在高溫的焊接過程中，與熱應(yīng)力有直接關(guān)聯(lián)，焊接過程進行到3.75 s，即焊接過程進行一半時的等效熱應(yīng)力場如圖10 所示，由于純鎳的膨脹作用，對過盈配合到小圓柱上的鋯管產(chǎn)生了巨大的熱應(yīng)力，同時偏鋯相對于偏鎳和對中焊接，熱力值明顯更高，應(yīng)力最高達到593 MPa，接近純鋯的室溫屈服強度高于高溫下純鋯的屈服強度，與鋯管膨脹變形的實際結(jié)果一致，偏純鎳0.5 mm 時熱應(yīng)力有明顯下降，最高值下降到411 MPa.

圖10 熱應(yīng)力分布特點Fig.10 Thermal stress distribution

由于電子束能量集中，接頭從峰值溫度下降到相變溫度的過程中，冷卻速度均大于500 ℃/s，會導致較高的殘余應(yīng)力為了分析縱向、軸向、環(huán)向殘余應(yīng)力的特點，在A，B，C 和D 沿著取樣路徑，提取對中焊接3 向殘余應(yīng)力與Mises 等效應(yīng)力，如圖11 所示，可以看出在鎖底部位處的軸向、環(huán)向、徑向都有明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)力整體在B 位置最高，在材料界面處達到450 MPa，在向鎳一側(cè)應(yīng)力出現(xiàn)斷崖式下降到100 MPa 以下，在焊接過程結(jié)束階段的D 位置應(yīng)力峰值最低，僅有139 MPa.為了找到等效應(yīng)力分布特點的成因，沿相同路徑分別提取了S11(徑向)、S22(軸向)、S33(環(huán)向)方向上的應(yīng)力.裂紋的產(chǎn)生主要受到拉應(yīng)力的影響，同時由于裂紋方向都是沿軸向開裂，因此軸向應(yīng)力對性能的影響最為明顯，軸向應(yīng)力最大在B 位置達到了59 MPa，在開始位置A 也達到了58 MPa，在結(jié)束位置的應(yīng)力值僅有20 MPa，主要原因是由于熱量的積累，焊接位置靠后的部位冷卻速率逐漸下降所導致.而徑向應(yīng)力主要是由熱循環(huán)過程中鎳棒的膨脹擠壓所引起，因此徑向應(yīng)力應(yīng)當與溫度場峰值正相關(guān)，由于焊接起始位置A 受到兩次加熱，在二次加熱過程中的峰值溫度最高，因此其徑向應(yīng)力最大值達到140 MPa，此處也具有最高的環(huán)向應(yīng)力，達到490 MPa，與前文的理論計算結(jié)果一致，而B，C 和D 位置的熱循環(huán)過程類似，最大應(yīng)力值分別為68，60，69 MPa.

圖11 殘余應(yīng)力分布特點Fig.11 Residual stress distribution.(a) mises stress;(b) axial stress;(c) circumferential stress;(d) radial stress

對不同參數(shù)下A，B，C 和D 的殘余應(yīng)力進行分析，如圖12 所示為不同焊接參數(shù)下的Mises 等效應(yīng)力場分布云圖.不同焊接參數(shù)下的應(yīng)力分布趨勢情況基本相同，在焊接界面處出現(xiàn)應(yīng)力的突變，殘余應(yīng)力主要分布在Zr 側(cè)，Ni 側(cè)的應(yīng)力均低于100 MPa，在鎖底處與反應(yīng)層位置有明顯的應(yīng)力集中，在焊接起始階段90°的位置最明顯，由前面溫度場的分析可知，主要由再熱作用的高溫引起，對中焊接時殘余應(yīng)力最高達到450 MPa，而偏鋯焊接會導致殘余應(yīng)力上升，偏鋯0.5 mm 時達到565 MPa，偏鎳焊接對殘余應(yīng)力的抑制作用明顯，當偏束量達到0.5 mm 時，鎖底處的應(yīng)力降低至425 MPa，應(yīng)力較大的范圍也明顯縮小，表明偏束焊接能抑制接頭殘余應(yīng)力.

圖12 殘余應(yīng)力分布云圖Fig.12 Cloud map of residual stress distribution.(a) direct welding;(b) deflect 0.3 mm towards Ni;(c) deflect 0.5 mm towards Ni;(d) deflect 0.3 mm towards Zr;(e) deflect 0.5 mm towards Zr;(f) microstructure of the weld of deflect 0.5 mm towards Zr

3 結(jié)論

(1) 鋯/鎳環(huán)焊縫對中焊接時由于裂紋的產(chǎn)生，接頭強度僅有36.4 MPa，偏束焊接消除了焊接裂紋，接頭由(γ-Ni+Ni5Zr)共晶+Ni5Zr 樹枝晶復(fù)合結(jié)構(gòu)組成，當偏鎳0.5 mm 焊接時接頭強度達到189 MPa，實現(xiàn)了鋯/鎳的有效熔化連接.

(2) 有限元計算中的溫度場結(jié)果顯示在焊接起始部位有再熱現(xiàn)象，隨著焊接過程進行峰值溫度不斷上升.應(yīng)力場結(jié)果顯示焊縫中存在較高的環(huán)向應(yīng)力，結(jié)合理論計算，環(huán)向應(yīng)力由徑向應(yīng)力引起.在不同焊接參數(shù)下，反應(yīng)層及鋯內(nèi)部有明顯的應(yīng)力集中，在同一焊接參數(shù)下，焊接起始位置的殘余應(yīng)力最高.

(3) 偏束焊接時，隨著束流偏向Ni 一側(cè)，抑制了焊接過程的熱應(yīng)力，避免了鋯管的膨脹變形，也降低了接頭的殘余應(yīng)力，是抑制裂紋產(chǎn)生的主要因素.