陳佩寅,郝乾宇,,徐鍇,郭梟

(1.哈爾濱威爾焊接有限責(zé)任公司，哈爾濱 150060；2.中國(guó)機(jī)械總院集團(tuán)哈爾濱焊接研究所有限公司，哈爾濱 150028)

0 前言

690 鎳基合金因具有優(yōu)異的耐腐蝕性、良好的高溫性能和熱穩(wěn)定性，已經(jīng)成為核島主設(shè)備關(guān)鍵結(jié)構(gòu)材料，用于使用條件苛刻、質(zhì)量要求高的關(guān)鍵設(shè)備和零部件的制造中。690 合金為單相奧氏體組織，具有較高的熱裂紋敏感性，加之大型壓水堆核電站關(guān)鍵焊接結(jié)構(gòu)厚度大、拘束度高，其焊接熱裂紋至今仍是核電設(shè)備制造尚未徹底解決的技術(shù)難題，690 焊接材料熱裂紋也一直是鎳基合金焊接性研究的熱點(diǎn)[1]。

20 世紀(jì)80 年代，美國(guó)超合金公司（special metal corporation,SMC）率先開(kāi)發(fā)出了690 合金焊接材料，包括FM 52 焊絲（型號(hào)為ERNiCrFe-7）和WE 152 焊條（型號(hào)為ENiCrFe-7），并在核電設(shè)備制造中得到廣泛應(yīng)用；20 世紀(jì)90 年代中期，美國(guó)海軍的研究人員在使用FM 52 焊絲進(jìn)行TIG 焊時(shí)，發(fā)現(xiàn)了高溫失塑裂紋（Ductility dip cracking,DDC），引起了學(xué)術(shù)界的重視，眾多學(xué)者對(duì)690 合金焊接材料的高溫失塑裂紋問(wèn)題進(jìn)行了廣泛地研究；隨后美國(guó)SMC 公司推出了改進(jìn)型焊絲—FM 52M 焊絲（型號(hào)為ERNiCrFe-7A），該焊絲通過(guò)添加Nb，B 和Zr 等元素，提高了抗高溫失塑裂紋能力，是應(yīng)用最多的核電主設(shè)備制造用鎳基合金焊絲[2],盡管FM 52M 焊絲具有較高的抗裂紋能力，但在制造厚度大、拘束高的核電裝備時(shí)，其抗裂紋能力仍顯不夠，不能防止高溫失塑裂紋[3]。為了繼續(xù)提高690 合金焊絲的抗裂性，國(guó)內(nèi)外均進(jìn)行了新型690合金焊絲（型號(hào)為ERNiCrFe-13）的研究工作，其技術(shù)路線是在焊絲中添加Nb，Ta 和Mo 等元素，增加熔敷金屬析出物數(shù)量，提高焊縫抗高溫失塑裂紋能力，但是隨著Nb 和Mo 元素含量的增加，在焊縫凝固過(guò)程中容易形成低熔點(diǎn)液膜，產(chǎn)生結(jié)晶裂紋[4-6]，最近美國(guó)SMC 公司發(fā)明了無(wú)裂紋690 合金焊絲（FM 52MSSTa），尚未在核島主設(shè)備制造中應(yīng)用[7]。

焊接熱裂紋的試驗(yàn)方法很多，常用于研究690 合金焊縫抗裂性的有：可調(diào)拘束試驗(yàn)[8]、STF 試驗(yàn)（Strainto-fracture test）[9]、CPT 試驗(yàn)（Cast pin tear test）[10]、熱塑性試驗(yàn)[11]、PVR 試驗(yàn)（Programmable deformation cracking test）[12]等，這些試驗(yàn)均采用小尺寸試樣，重點(diǎn)模擬熱裂紋的開(kāi)裂特征或開(kāi)裂機(jī)制，但其試驗(yàn)過(guò)程在焊接熱循環(huán)、應(yīng)力-應(yīng)變演變過(guò)程、顯微組織等方面與實(shí)際焊接存在較大差異，試驗(yàn)結(jié)果不便于指導(dǎo)工程焊接。Mccracken 等人[13]提出了高拘束窄間隙焊縫試驗(yàn)，用有限元分析了試驗(yàn)焊縫的應(yīng)力、應(yīng)變，結(jié)果表明多次焊接熱循環(huán)造成的高應(yīng)變累積區(qū)是高溫失塑裂紋的多發(fā)區(qū)，焊接過(guò)程中的應(yīng)變累積耗盡了焊縫的晶界塑性，最終導(dǎo)致開(kāi)裂；在此基礎(chǔ)上，Rapetti 等人[14-15]提出了重熔試驗(yàn)，簡(jiǎn)化了試驗(yàn)過(guò)程；郭梟等人[16-17]提出了基于大厚度堆焊的熱裂紋試驗(yàn)（簡(jiǎn)稱“大厚度裂紋試驗(yàn)”），用有限元模型分析了試驗(yàn)中的多層多道堆焊焊縫的溫度、應(yīng)力和應(yīng)變演變過(guò)程，說(shuō)明了典型部位的高溫停留時(shí)間和應(yīng)變損耗特點(diǎn)，闡述了該方法評(píng)價(jià)熱裂紋的依據(jù)。

用于鎳基合金熱裂紋的判據(jù)也有很多，主要有臨界應(yīng)變速率（Critical strain rate,CST）、凝固脆性溫度區(qū)間（Brittle temperature range,BTR）、最大裂紋距離（Maxium cracking distance,MCD）、凝固裂紋溫度范圍（Solidification cracking temperature range,SCTR）、臨界應(yīng)變?chǔ)舖in、液化裂紋溫度范圍（Liquation cracking temperature range,LCTR）和化學(xué)成分相關(guān)判據(jù)等[18-20]，但是缺少基于微觀組織的熱裂紋判據(jù)。

文中使用不同成分的690 合金焊絲進(jìn)行了大厚度裂紋試驗(yàn)，計(jì)算了熔敷金屬微觀組織（Laves 相、MC、M2(C,N) 碳化物和MN 氮化物），提出了基于微觀組織的鎳基合金焊接熱裂紋判據(jù)，研制出了無(wú)焊接裂紋的核電主設(shè)備制造用WHS693M 焊絲（型號(hào)為ERNiCrFe-13）。

1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)用材料為不同成分的690 合金TIG 焊絲，規(guī)格為φ1.2 mm，焊絲型號(hào)和熔敷金屬化學(xué)成分見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)用TIG 焊絲熔敷金屬化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù),%）

采用大厚度裂紋試驗(yàn)進(jìn)行了試驗(yàn)用焊絲的抗裂性評(píng)價(jià)，大厚度裂紋試驗(yàn)是一種堆焊試驗(yàn)方法，它提供了較高的焊接應(yīng)變損耗和苛刻的焊接熱循環(huán)條件，可以模擬大厚度、高拘束結(jié)構(gòu)TIG 焊接的特點(diǎn)，為焊接材料研制提供抗裂性評(píng)價(jià)結(jié)果，大厚度裂紋試驗(yàn)的實(shí)施要點(diǎn)如下。

（1）在碳鋼或低合金鋼的母材上進(jìn)行堆焊試驗(yàn)，母材尺寸至少為400 mm×300 mm×60 mm。

（2）在試驗(yàn)用母材上堆焊熔敷金屬，堆焊層尺寸至少為300 mm×200 mm×40 mm，焊接工藝參數(shù)為焊接電流220 A，電弧電壓12～14 V，焊接速度170 mm/min，送絲速度1 200 mm/min，道間溫度Tc≤100 ℃，保護(hù)氣體99.99%氬氣，流量14～18 L/min。

（3）堆焊完成后，采用線切割的方法從堆焊層切取試樣，試樣厚度4 mm，分別沿橫、縱向切取3 個(gè)試樣，然后對(duì)試樣進(jìn)行磨削加工，磨削方向與焊接方向垂直，以利于裂紋顯示；磨削加工后，對(duì)試樣表面進(jìn)行著色探傷，標(biāo)記著色探傷的顯示，然后在金相顯微鏡下觀察探傷顯示，確定是否有焊接裂紋，必要時(shí)，可將裂紋打開(kāi)，通過(guò)斷口形貌確定裂紋性質(zhì)。

（4）統(tǒng)計(jì)所有切片表面的裂紋數(shù)量、長(zhǎng)度、位置等信息。

（5）結(jié)果評(píng)價(jià)：裂紋數(shù)量越多、裂紋越長(zhǎng)，該材料的裂紋敏感性越高，單個(gè)裂紋長(zhǎng)度不大于1 mm，且數(shù)量不超過(guò)3 個(gè)，抗裂性為好，否則抗裂性為不好。

圖1 為大厚度裂紋試驗(yàn)的堆焊試件和解剖后的試樣。采用JMat Pro 軟件進(jìn)行了TIG 焊熔敷金屬凝固計(jì)算，軟件版本為V12.1，使用的數(shù)據(jù)庫(kù)為T(mén)hermo Tech 研發(fā)的Ni-DATA 8（Ver.7）數(shù)據(jù)庫(kù)，計(jì)算模型為Scheil-Gulliver 模型，計(jì)算的化學(xué)成分包括C，Si，Mn，Ni，Cr，F(xiàn)e，Mo，Nb，Ta，Al，Ti，O 和N。

圖1 大厚度裂紋試驗(yàn)

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

采用大厚度裂紋試驗(yàn)對(duì)表1 所示化學(xué)成分的焊絲進(jìn)行了抗裂性評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 試驗(yàn)結(jié)果（體積分?jǐn)?shù),%）

采用JMat Pro 軟件計(jì)算了表1 所示化學(xué)成分的凝固過(guò)程，計(jì)算參數(shù)為起始溫度1 900 ℃，計(jì)算步長(zhǎng)2 ℃，冷卻速度200 ℃/s，考慮固態(tài)擴(kuò)散的影響。冷卻至固相線時(shí)的Laves 相、冷卻至1 000 ℃時(shí)的碳氮化物之和MC+MN+M2(C,N)的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

從表2 可知，當(dāng)Laves 相含量不大于0.45%時(shí)，無(wú)結(jié)晶裂紋，當(dāng)Laves 相含量不小于1.3%時(shí)，有結(jié)晶裂紋；當(dāng)碳氮化物之和MC+MN+M2(C,N)含量不小于0.18%時(shí)，無(wú)高溫失塑裂紋，當(dāng)MC+MN+M2(C,N)含量不大于0.16%時(shí)，有高溫失塑裂紋。

2.2 結(jié)晶裂紋判據(jù)

結(jié)晶裂紋是在焊縫凝固過(guò)程的后期形成的焊接裂紋，也稱為凝固裂紋，結(jié)晶裂紋產(chǎn)生的原因是在焊接熔池凝固過(guò)程中，金屬收縮產(chǎn)生的拉應(yīng)力將晶界上的低熔點(diǎn)共晶液膜拉開(kāi)形成裂紋。低熔點(diǎn)共晶液膜主要有兩類，一類是由化合物形成的低熔點(diǎn)共晶物，另一類是第二相形成的低熔點(diǎn)共晶組織。

690 合金焊絲中能形成低熔點(diǎn)共晶物的元素主要有S，P，B，Zr 和Si 等[21-22]，這些元素的含量應(yīng)該嚴(yán)格控制。

Laves 相是一種金屬間化合物，具有六方晶體結(jié)構(gòu)，化學(xué)式為A2B，其中A 包括Ni，F(xiàn)e，Cr 和Co 等元素，B 包括Nb，Ti，Si，Mo 和Ta 等元素。已有結(jié)果表明，Nb 和Mo 元素含量較高的鎳基合金容易在凝固末期形成Laves 相，包括600，625，690 和718 等合金的焊縫[23-26]，Di 等人[27]研究了FM 52MSS 熔敷金屬的凝固過(guò)程，在凝固末期的枝晶間隙發(fā)現(xiàn)了γ/Laves共晶，Laves 相是影響超純凈鎳基合金結(jié)晶裂紋敏感性的重要因素，可以與鎳基合金的基體形成低熔點(diǎn)的γ/Laves 共晶組織[6,28]，Laves 相是核電用690 焊接材料產(chǎn)生結(jié)晶裂紋的主要因素。郭梟等人[29]在ERNiCrFe-13 焊絲TIG 焊重熔試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，隨著重熔電流的增加，枝晶間γ/Laves 共晶組織尺寸增大，結(jié)晶裂紋長(zhǎng)度明顯增大；Fink 等人[30]發(fā)現(xiàn)，Mo 可能促進(jìn)690 合金焊縫金屬中Laves 相的形成，降低終凝溫度，增大結(jié)晶裂紋敏感性。

在焊縫凝固末端，液態(tài)金屬的殘留量對(duì)結(jié)晶裂紋影響很大，少量的液態(tài)金屬（小于1%）常以液滴形態(tài)存在，難以形成液膜，結(jié)晶裂紋敏感性??；大量的液態(tài)金屬（大于10%）能夠形成愈合效應(yīng)，不容易產(chǎn)生結(jié)晶裂紋；只有適量的液態(tài)殘留（大約1%～10%）容易潤(rùn)濕晶界，形成連續(xù)的液膜，產(chǎn)生結(jié)晶裂紋[31-33]。

綜上所述，控制Laves 相數(shù)量可以防止結(jié)晶裂紋，根據(jù)表2 的試驗(yàn)結(jié)果，得出防止焊縫結(jié)晶裂紋的判據(jù)為L(zhǎng)aves 相含量不大于0.9%。

2.3 高溫失塑裂紋判據(jù)

高溫失塑裂紋是在熱影響區(qū)金屬組織的晶界上，因受熱作用致使延性陡降而產(chǎn)生的熱裂紋，也成為失延裂紋，產(chǎn)生高溫失塑裂紋的原因主要有3 種，分別是晶界弱化、晶界脆化和應(yīng)力誘導(dǎo)。

晶界弱化主要發(fā)生在雜質(zhì)含量低、無(wú)析出物（或析出物很少）的單相奧氏體材料中，由于這些材料的晶界基本沒(méi)有析出物，高溫時(shí)晶界強(qiáng)度和晶內(nèi)強(qiáng)度差別大，在外力的作用下，晶界容易發(fā)生滑移，產(chǎn)生應(yīng)變集中，當(dāng)實(shí)際應(yīng)變量（或累積塑性損傷）超過(guò)材料晶界變形能力時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生裂紋，晶界滑移、棘輪效應(yīng)、曲折晶界等解釋了這種裂紋產(chǎn)生的具體方式[13,34-37]。

晶界脆化是指雜質(zhì)元素在晶界偏聚，削弱了晶界的結(jié)合力，造成材料塑性下降的現(xiàn)象，焊接過(guò)程中，熱循環(huán)和應(yīng)力的高度不均勻性，促使S，P 和H 等雜質(zhì)元素在晶界偏聚，是引發(fā)高溫失塑裂紋的主要原因之一[38-39]。

應(yīng)力誘導(dǎo)機(jī)理認(rèn)為M23C6析出相和奧氏體一側(cè)基體具有部分共格關(guān)系，M23C6析出相的晶格常數(shù)約為基體的3 倍，由于兩者晶格常數(shù)相差大，會(huì)在析出相兩端產(chǎn)生應(yīng)力集中，易形成局部晶界裂紋[40-41]。

為保證核島主裝備的安全運(yùn)行和使用壽命，核一級(jí)焊接材料均具有較高的純凈度，因此解決晶界弱化問(wèn)題是防止690 合金焊縫高溫失塑裂紋主要手段。

焊縫中的小尺寸碳氮化物可以阻礙晶界滑移，改善晶界弱化現(xiàn)象，有利于降低高溫失塑敏感性。Di等人[27]在FM52MSS 焊縫中發(fā)現(xiàn)了TiC；郭梟等人[25-26,42]在ERNiCrFe-13 熔敷金屬枝晶間發(fā)現(xiàn)了較微小的(Nb,Ti)C 復(fù)合碳化物，認(rèn)為是焊縫凝固后期，殘余液相中Nb，Mo 等元素富集到一定程度，形成了MC 碳化物和Laves 相；Collins 等人[43]發(fā)現(xiàn)690 焊縫晶界存在TiN 和共晶MC 碳化物，較高比例的(Nb,Ti)C 釘扎晶界運(yùn)動(dòng)，形成曲折晶界，有效地減少了晶粒生長(zhǎng)和晶界滑動(dòng)；唐正柱等人[44-45]認(rèn)為(Nb,Ti)C 對(duì)晶界具有釘扎作用，提高晶界扭曲程度，降低熔敷金屬DDC敏感性，(Nb,Ti)C 的最佳尺寸為100～120 nm；Kiser 等人[3]發(fā)現(xiàn)FM52MSS 枝晶間存在彌散分布的M(C,N)析出物，這些析出物在凝固末期形成，阻礙晶界滑移，形成曲折晶界，降低DDC 敏感性。

Nb 和Ti 等強(qiáng)碳化物形成元素，不僅能夠形成碳化物，提高抗高溫失塑裂紋能力，還可以消耗C，減少M(fèi)23C6的析出量，降低析出相誘導(dǎo)高溫失塑裂紋的形成[40,46-47]。

綜上所述，焊縫中的小尺寸碳氮化物可以阻礙晶界滑移，改善晶界弱化現(xiàn)象，防止高溫失塑裂紋。根據(jù)表2 的試驗(yàn)結(jié)果，防止焊縫高溫失塑裂紋的判據(jù)為MC+MN+M2(C,N)含量不小于0.18%。

3 WHS693M 焊絲研制

WHS693M 焊絲是中國(guó)機(jī)械總院集團(tuán)哈爾濱焊接研究所有限公司和哈爾濱威爾焊接有限責(zé)任公司為適應(yīng)國(guó)內(nèi)大型先進(jìn)壓水堆核電站自主創(chuàng)新發(fā)展的需求，聯(lián)合研制的核島主設(shè)備制造用新型690 焊接材料，焊絲型號(hào)為ERNiCrFe-13。該焊絲具有優(yōu)秀的抗裂性、高溫強(qiáng)度和耐腐蝕能力，通過(guò)協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)C，Nb，Ta 和Mo 等元素的含量對(duì)焊接熱裂紋有重要影響，有效地控制了熔敷金屬Laves 相、MC 碳化物和MN 氮化物的含量，能同時(shí)防止結(jié)晶裂紋和高溫失塑裂紋，有望解決三代核電主設(shè)備690 焊接裂紋問(wèn)題。

批號(hào)為3171139 的690 焊絲和熔敷金屬化學(xué)成分、大厚度裂紋試驗(yàn)結(jié)果和JMat Pro 軟件組織計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 WHS693M 化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù),%）和抗裂性及組織計(jì)算結(jié)果（體積分?jǐn)?shù),%）

從表3 可見(jiàn)，WHS693M 焊絲的純凈度高，控制Laves 相、MC 和M2(C,N) 碳化物、MN 氮化物數(shù)量，可以防止焊接裂紋。采用JMat Pro 軟件計(jì)算的熔敷金屬微觀組織為L(zhǎng)aves 相含量0.04%（＜0.9%），MC +MN+M2(C,N)含量 0.20 %（＞0.18 %），依據(jù)抗裂性判據(jù)得出的結(jié)果與大厚度裂紋試驗(yàn)結(jié)果一致。

采用TIG 堆焊方法進(jìn)行了熔敷金屬試驗(yàn)，焊絲規(guī)格為φ1.2 mm，焊接參數(shù)為焊接電流180～240 A，電弧電壓15～17 V，焊接速度180 mm/min，送絲速度1 100～1 200 mm/min，層間溫度Tc＜100 ℃。

拉伸試驗(yàn)分別按照焊接接頭的力學(xué)性能測(cè)試方法AWS B4.0M-2000（室溫）、金屬材料的高溫抗拉試驗(yàn)方法ASTM E21-92（1998）（350 ℃）的要求進(jìn)行，試樣直徑φ12.5 mm，平行于堆焊方向取樣。按照AWS B4.0M 的要求進(jìn)行了室溫沖擊試驗(yàn)，試樣按照鋼產(chǎn)品力學(xué)性能標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法及定義ASTM A370 中圖1 A型加工，每組3 個(gè)試樣。

三代核電核島主設(shè)備對(duì)690 合金焊絲熔敷金屬力學(xué)性能的要求值和試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 熔敷金屬力學(xué)性能

從表4 可見(jiàn)，熔敷金屬不僅具有較高的強(qiáng)度，還具有良好的塑性和沖擊韌性，滿足三代核電核島主設(shè)備的性能要求。

4 結(jié)論

（1）在大厚度裂紋試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，提出了基于微觀組織的鎳基合金熱裂紋判據(jù)，防止結(jié)晶裂紋判據(jù)為L(zhǎng)aves 相含量不大于0.9%，防止高溫失塑裂紋判據(jù)為MC+MN+M2(C,N)含量不小于0.18%。

（2）研制的WHS693M 焊絲抗裂性優(yōu)良，大厚度裂紋試驗(yàn)結(jié)果為好，力學(xué)性能滿足三代核電主設(shè)備制造技術(shù)要求。