1 引言

核电蒸汽发生器是核岛的核心部件之一,在我国第三代核电技术堆型CAP1400中,蒸汽发生器使用SA508Gr.3Cl.2锻件作为壳体材料,其性能符合要求且经济性较好^[1-3]。高效和高质量的厚板焊接技术是保证核电蒸汽发生器运行安全性的关键因素之一。目前,SA508Gr.3Cl.2锻件壳体的连接技术主要为钨极稀有气体保护焊和埋弧焊^[4-6]。钨极稀有气体保护焊的效率较低;埋弧焊产生的较大热输入会导致热影响区(HAZ)的宽度增加,产生较大的焊接变形和较高的残余应力,从而影响接头性能。

近年来,窄间隙激光填丝焊由于具有能量密度高、焊缝及HAZ较小、热输入较小、焊接变形和残余应力较小、填充材料用量较少等优点而被广泛关注^[7-9]。Jokinen等^[10]通过3 kW的YAG激光器,运用窄间隙激光填丝焊工艺焊接了20 mm厚的304 L钢板。赵勇等^[11]采用窄间隙CO₂激光填丝焊的方法,焊接了50 mm厚的30Cr2Ni4MoV(30表示碳的质量分数为0.3%,2表示Cr的质量分数为2%,4表示Ni的质量分数为4%)转子钢,焊后接头内部无气孔、裂纹及未熔合侧壁等缺陷,自熔焊焊缝和填充焊焊缝HAZ的粗晶区硬度显著高于母材和接头其他区域的。Guo等^[12]采用16 kW光纤激光对6 mm厚SA508Cl.3钢板进行了单道纯激光焊接,结果表明,焊缝和HAZ的粗晶区微观组织均为粗大的马氏体和自回火马氏体,硬度达410 HV以上。然而,关于厚板SA508钢光纤激光填丝多层焊接头组织和力学性能的研究鲜有报道。

本文采用超窄间隙光纤激光填丝多层焊工艺,焊接了板厚为50 mm的SA508Gr.3Cl.2钢,对热处理态焊接接头进行了微观组织分析,研究了接头上、中、下部的焊缝和HAZ的组织特征,通过显微硬度、拉伸试验以及夏普冲击韧性试验表征了接头的力学性能。

2 试验材料与方法

试验板材为50 mm厚的SA508Gr.3Cl.2钢,是一种Mn-Mo-Ni系的低碳低合金调质态高强钢,其化学成分及力学性能分别见表1,2。试验采用的焊丝为与SA508Gr.3Cl.2钢同质的配套焊丝,直径为1.2 mm。

图 1. 焊件坡口尺寸

Fig. 1. Groove geometry of workpiece

下载图片 查看所有图片

焊接试验使用的激光器为德国IPG公司生产的YLS-10000-S2多模光纤激光器,最大输出功率为10 kW,激光聚焦后焦斑直径为0.72 mm。送丝机为奥地利Fronius公司生产的TPS500气保护焊机,采用前送丝的焊接方式,后置保护气体采用纯氩气以保护焊接熔池。超窄间隙焊接坡口示意图如图1所示,钝边高为4 mm,间隙底宽为2.4 mm,双边坡口角度为4°。第一道为激光自熔焊以连接坡口钝边,后续道次均为激光填丝焊。激光填丝多层焊的激光功率为4.0~4.5 kW,焊接速率为0.33~0.36 m·min^-1,送丝速率为2.0~2.5 m·min^-1,离焦量为+20 mm,保护气体流量为10 L·min^-1。每完成一道焊接,需要对焊缝表面和坡口两侧进行清理。焊接完成后进行焊后热处理,即在610 ℃下保温40 h后空冷。

通过线切割的方式截取焊接接头横截面来制备金相试样,经研磨抛光后,用体积分数为2%的硝酸乙醇进行腐蚀,对焊接接头的上、中、下三个位置的微观组织进行观察、分析和显微硬度的测量,具体测量位置为图2所示的线1、线2和线3。截取两个全厚度的拉伸试样,在100 t拉伸试验机上进行室温拉伸试验,拉伸样的尺寸如图3所示。在焊接接头的1/4、1/2、3/4处截取焊缝冲击试样,具体取样位置为图2所示的三个矩形框。冲击试样的缺口在焊缝中心位置,试验温度为3 ℃。最后,利用扫描电子显微镜对冲击断口形貌进行观察和分析。

图 2. 显微硬度测量及冲击试样取样位置

Fig. 2. Measurement position of microhardness and sampling position of impact sample

下载图片 查看所有图片

图 3. 拉伸试样尺寸

Fig. 3. Dimensions of tensile sample

下载图片 查看所有图片

3 试验结果及分析

3.1 焊接接头横截面的宏观形貌

焊接接头横截面的宏观形貌如图4所示。接头由25道焊接完成,共有23层,其中第1层为激光自熔焊,第2~22层为多层单道激光填丝焊,第23层为由三道激光填丝焊缝组成的盖面层。焊缝平均宽度约为4 mm。通过对焊接接头进行X射线无损探伤检测后可知,焊接接头成形良好,没有气孔、裂纹以及未熔合侧壁等缺陷。

图 4. 焊接接头的宏观形貌

Fig. 4. Macromorphology of welding joint

下载图片 查看所有图片

3.2 焊接接头不同区域的微观组织

接头不同区域的组织首先由焊接热循环中的峰值温度及冷却速度决定,进一步受到焊后热处理的影响。焊后热处理完成后,利用光学显微镜观察焊接接头上、中、下三个区域的焊缝和以粗晶区为主的HAZ的微观组织。焊接接头下部激光自熔焊焊接区域的金相组织如图5所示,由图5(a)可以看出,焊缝两侧的熔合线几乎平行,焊缝垂直于熔合线,呈对生生长的粗大树枝晶形貌。因为垂直于熔合线方向的热流动速度最大,所以晶粒在此方向上生长最快。图5(b)所示的焊缝中心微观组织主要为回火索氏体和少量的针状铁素体,图5(c)所示为母材(BM)经过610 ℃高温回火后的热处理态微观组织,主要是由贝氏体、铁素体和马氏体-残余奥氏体的岛状组织所构成的复相组织,即粒状贝氏体。

图 5. 激光自熔焊焊道形貌。(a)宏观形貌;(b)图5(a)中位置1'的局部放大;(c)图5(a)中位置2'的局部放大

Fig. 5. Weld pass morphologies in autogenous laser welding. (a) Macromorphology; (b) partially enlarged view of position 1' in Fig. 5(a); (c) partially enlarged view of position 2' in Fig.5 (a)

下载图片 查看所有图片

激光填丝多层焊接头主要可划分为四个区域,如图6所示,A区域为未受到后层焊道热影响的焊缝金属;B区域为受到后层焊道热影响的焊缝金属,即为焊缝内的HAZ。焊接热作用在母材侧形成的HAZ可分为两种,C区域为焊缝母材侧的一次HAZ,即该区域母材只受到本层焊缝的焊接热影响;D区域为焊缝母材侧的二次HAZ,即该区域同时处于本层焊道和后一层焊道的热影响范围内,先后受到两次焊接热循环影响。

图 6. 多层焊接头的区域划分

Fig. 6. Regional division of multi-layer welding joint

下载图片 查看所有图片

中部填丝焊区域的金相形貌如图7所示。图7(b)中焊缝中心的微观组织包含大量的针状下贝氏体和上贝氏体及少量的回火马氏体。根据焊接热循环的作用,中部填丝焊缝的HAZ分为多种不同区域。图7(c)和图7(d)分别为中部填丝焊焊缝母材侧的一次HAZ粗晶区和细晶区,一次HAZ粗晶区由大量的粗大回火马氏体组成。经过焊后610 ℃高温回火后,回火马氏体仍保持着原马氏体位向,SA508Gr.3Cl.2钢中的Mo元素具有较高的回火抗力,使得马氏体在高温回火时没有完全分解,还保持着马氏体的位向,只是在相界、板条界和板条内析出了大量较为粗大的碳化物颗粒,称之为“高温回火马氏体”。由图7(d)可知,中部填丝焊焊缝母材侧的一次HAZ细晶区的微观组织则为回火索氏体。由于焊缝与母材初始组织的不同,因此,焊缝内的HAZ组织不同于焊缝母材侧的。以粗晶区为例,图7(e)所示中部填丝焊焊缝内的HAZ粗晶区的微观组织除了高温回火马氏体之外,还包含了一部分针状下贝氏体。由图7(f)可以看出,焊缝母材侧的二次HAZ粗晶区主要由大量粗大的回火马氏体组成。

图 7. 中部激光填丝焊焊道形貌。(a)宏观形貌;(b)图7(a)中位置A'的局部放大;(c)图7(a)中位置B'的局部放大;(d)图7(a)中位置C'的局部放大;(e)图7(a)中位置D'的局部放大;(f)图7(a)中位置E'的局部放大

Fig. 7. Middle weld pass morphologies in laser welding with filler wire. (a) Macromorphology; (b) partially enlarged view of position A' in Fig. 7(a); (c) partially enlarged view of position B' in Fig. 7(a); (d) partially enlarged view of position C' in Fig.7 (a); (e) partially enlarged view of position D' in Fig. 7(a); (f) partially enlarged view of position E' in Fig. 7(a)

下载图片 查看所有图片

由三道焊缝构成的盖面焊区域的金相形貌如图8所示,其中WM表示焊缝金属。宏观形貌如图8(a)所示;图8(b)所示为中间道次的焊缝中心,主要由大量的羽毛状上贝氏体、下贝氏体和极少量的高温回火马氏体组成。中间道次的HAZ完全处于前面道次的焊缝内,图8(c)所示为中间道次的HAZ粗晶区微观组织,可以看到大量的粒状贝氏体组织和少量的高温回火马氏体组织。图8(d)所示为左侧道次的焊缝中心,主要由大量的针状下贝氏体和少量的高温回火马氏体组织组成。图8(e)所示为左侧道次在母材中形成的HAZ粗晶区,可以看到全部是粗大晶粒的高温回火马氏体。图8(f)所示为同时受到盖面中间道次和左侧道次热循环影响的焊缝内HAZ粗晶区的微观组织,主要由高温回火马氏体和针状下贝氏体组成。可以发现,填充焊缝的母材侧HAZ粗晶区比焊缝内的HAZ粗晶区更易生成粗大晶粒的马氏体。

图 8. 上部激光填丝焊焊道形貌。(a)宏观形貌;(b)图8(a)中位置4的局部放大;(c)图8(a)中位置5的局部放大;(d)图8(a)中位置6的局部放大;(e)图8(a)中位置7的局部放大;(f)图8(a)中位置8的局部放大

Fig. 8. Top weld pass morphologies in laser welding with filler wire. (a) Macromorphology; (b) partially enlarged view of position 4 in Fig. 8(a); (c) partially enlarged view of position 5 in Fig. 8(a); (d) partially enlarged view of position 6 in Fig. 8(a); (e) partially enlarged view of position 7 in Fig. 8(a); (f) partially enlarged view of position 8 in Fig. 8(a)

下载图片 查看所有图片

4 接头性能测试及分析

4.1 接头显微硬度

经过焊后热处理的SA508Gr.3Cl.2钢焊接接头上、中、下三个位置的硬度分布如图9所示。由于激光自熔焊部位的焊缝化学成分与母材的基本相同,且焊接速度较快、热输入较小、厚板散热较快、熔池冷却速度比填丝焊道的更快,因此更易形成淬硬组织。从硬度分布图来看,激光自熔焊部位的焊缝区硬度比填丝焊的大80 HV左右。中部填丝焊焊缝的硬度分布趋势大体是:从母材经HAZ到焊缝区,硬度先增大后减小,最后趋于平稳,硬度最大值出现在靠近熔合线的HAZ粗晶区。HAZ粗晶区的微观组织为粗大的高温回火马氏体,故硬度值最高。焊缝区的组织主要为上贝氏体和针状下贝氏体,故其硬度值低于粗晶区的但高于母材区的。盖面焊与中部填丝焊的硬度分布趋势大致相同,其HAZ粗晶区的硬度最大值为280 HV左右,与中部填丝焊的一样。盖面焊中间道次焊缝的HAZ全部位于其他道次的焊缝内,此处HAZ粗晶区的硬度也明显小于母材侧的,但与盖面焊两侧道次的焊缝硬度相当,同时略大于盖面焊中间道次的焊缝硬度。

图 9. 接头硬度分布

Fig. 9. Microhardness distributions of joint

下载图片 查看所有图片

4.2 拉伸及冲击试验

SA508Gr.3Cl.2钢热处理态全厚度焊接接头的拉伸试验结果见表3。焊接接头拉伸试样的抗拉强度高达686 MPa,拉伸断裂位置均位于母材,表明焊缝的强度高于母材的,焊接接头有良好的抗拉性能。

焊接接头的1/4、1/2、3/4处的焊缝区在3 ℃下的冲击试验结果见表4。焊缝区冲击功最小为62 J,最大为106 J,均低于母材的。填丝焊焊缝中心组织为大量的针状下贝氏体、上贝氏体以及少量的高温回火马氏体,故其冲击功、侧向膨胀量和纤维断裂率都要明显小于微观组织为粒状贝氏体的母材。

图 10. 冲击试样的断口形貌。(a)母材宏观形貌;(b)图10(a)中位置9的局部放大;(c)图10(a)中位置10的局部放大;(d)焊接接头1/2处宏观形貌;(e)图10(d)中位置11的局部放大;(f)图10(d)中位置12的局部放大

Fig. 10. Fracture morphologies of impact specimen. (a) Macromorphology of base material; (b) partially enlarged view of position 9 in Fig. 10(a); (c) partially enlarged view of position 10 in Fig. 10(a); (d) macromorphology of middle welding joint; (e) partially enlarged view of position 11 in Fig. 10(d); (f) partially enlarged view of position 12 in Fig. 10(d)

下载图片 查看所有图片

母材以及焊接接头1/2处冲击试样的断口形貌如图10所示。图10(a)所示为母材宏观形貌。由图10(b)、(e)可以看出,母材冲击试样断口的晶状区面积明显小于焊接接头1/2处的冲击试样,表明母材冲击试样更多地表现出韧性断裂特征。从图10(f)可以看出,韧窝的大小十分均匀,表现出等轴状的特征,韧窝细小但仍有一定的深度,说明焊接接头1/2处的冲击试样也表现出了一定的韧性断裂特征。

5 结论

通过超窄间隙激光填丝焊工艺,对50 mm厚的SA508Gr.3Cl.2钢进行了焊接试验,得到以下结论。

1) 焊后热处理后,接头下部的激光自熔焊焊缝中心形成了回火索氏体和针状铁素体,中部填丝焊部位的焊缝中心组织主要为上贝氏体和针状下贝氏体。接头上部盖面焊中间道次的HAZ粗晶区组织主要为高温回火马氏体和部分针状下贝氏体,左边道次焊缝母材侧的HAZ粗晶区组织为粗大的高温回火马氏体。

2) 激光自熔焊焊缝区的硬度高于中部填丝焊焊缝区的。

3) 焊接接头拉伸试样的拉伸断裂位置均位于母材,表明焊缝的强度高于母材的,焊接接头抗拉性能良好。从冲击试样断口形貌可知,接头断裂具有一定的韧性断裂特征。