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1、核电设备典型镍基合金焊接接头力学性能评定及焊缝金属热裂纹敏感性分析 上海交通大学硕士学位论文核电设备典型镍基合金焊接接头力学性能评定及焊缝金属热裂纹敏感性分析姓名:张茂龙申请学位级别:硕士专业:材料加工工程指导教师:陆皓;牛明安20030301海交通夫学硕士论文核电设备典型镍基合金焊接接头力学性能评定及焊缝金属热裂纹敏感性分析摘要本文以秦.二期核电站反应堆压力容器接管一安全端异种金属镍基合金接头焊接为背景。秦山二期核电站反应堆压力容器,是我国制造的首台级的反应堆压力容器,其中的镍基合金部件及合金系统,有关的镍基合金焊接材料均采用了合金系统材料应用于反应堆压力容器在国内是首次。其接管一安全端异种
2、金属镍基合金焊接,即带有不锈钢堆焊层的低合金钢和不锈钢之间的焊接,一直是反应堆压力容器焊接巾最大难点之一,主要问题依然是微裂纹和力学性能塑性下降。本课题结合秦山二期核电站反应堆压力容器的制造,在产品接管一安全端异种金属接头实施焊接前,通过试验分析研究以明确 焊缝金属中产生裂纹和塑性下降的原因和影响因素,以优化焊接一艺参数。本文主要进行了如下几方面工作:讨论了镍基合金焊接的几个主要问题,即焊接热裂纹、焊缝巾气孔和焊缝金属塑性下降等,对热裂纹产生的机理、镍基合金热裂敏感性较强、易产生气币塑性下降的原因作了初步的讨论。进行了焊缝金属性能试验,就所选用的焊接材料和确定的自动脉冲氩弧焊工艺进行堆焊、板对
3、接和管子对接焊接对比试验,对焊缝金属的金力学试验结果进行分析讨论。对出现的问题:焊缝中的微裂纹、气孔和焊缝金属塑性彳足就其产生的原因进行分析,探讨焊接材料化学成分和焊接工艺参数等条件对其的影响程度。对 合金焊接热裂纹敏感性进行了分析和评价。进行了验证试验,完全模拟反应堆雎力容器接管一安全端异种金属接头的结构特征和焊接条件,制备和焊接试件。在焊缝金属性能试验和分析的基础上,为降低热裂纹、气孔敏感性,减少焊缝金属塑性下降量,提山优化的焊接工艺参数和辅助工艺措施。对焊接完成后的试件焊接接头、焊缝金属的理化和力学性能按反应堆压力容器技术条件的相应要求进行全面的评定。通过试验和分析,本文对焊接材料化学成
4、分、工艺参数和辅助工艺措施等因素对合金焊接性的影响程度作了初步的分析研究。对反应堆压力容器接管一安全端接头镍基合金焊接提出了一套完整的优化工艺,有效地解决了 焊接热裂纹、气孔和焊缝金属塑海交通人学硕二:论文性降低等问题,对反应堆压力容器的制造提供了技术保障。关键词:镍基合金,焊接,力学性能,热裂纹海交通大学硕士论文.? . ? .。. . ?.:?, ., , ,。, . .海交通人学硕士论文. .,. . . ,.,.上海交通大学 上海父逋大罕学位论文原创性声明本人郑重声明:所呈交的学位论文,是本人在导师的指导下,独立进行研究:作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外,本论文不包含任何其他
5、个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到奉声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名:夯浓矿日期:伽文年弓月日上海交通大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,同意学校保留并向国家有关部门或机构送交沦文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进亍检索,可以采朋影印、缩印或扫描等复制手段保存年汇编本学位论文。保密函在弓年解密后适川木授权书。本学位论文属丁不保密口。请在以二疗框内打“”丈 签钇学位酗 竹青指导教师签名辛
6、德屹诮日期巾 年 月 出湘 每乍 ,日期:了月旷日海交通大学学位沦文答辩决议书所以利【 再捌料棚瑗张茂龙 与、论艾题瘕电馅安型锰瑾台主辑援礁爱力等饪自评足硬婢疆重届投裂更敞密悭萄、电爸娜日姘 地却孵崩支逋大髻瓶饪弘主毡 鲻委员会成员姓 名 学 位 职 称 签 乞承援汪醚毒土向炙通太嘻可遗哞撇.上喝乏通气寻姚萄穗哪、每日髭 局工向锯厂稻阪玄司 多杉;照儆毛蛸殳遁久孳 拗受力,薹评语丰次议:讫.殳从泰山二鞠姚礁医力涪强镌嚆/安玺瑞寻科生属饶甚莒盘气雉件下酌讽舷仟腰酸拟毋遭行碍癌力学程毹幺凸气足,升长刷倒?“城驾斛疗纠姐气象舛下瑶癯崩泌拍伍硬煽晌因熹。记心研艽攻呆对偿嬲啼徽痒为髫辩牢糨乏痛楚,缸呈知
7、日日,舒铷狮刍铭也地仅删列】趣?疋表决结果:,识迫,答辩委员会主席建峰。签名,海交通人学硕二论文第一章绪论第一章绪论.研究背景和目的材料、能源和信息是现代科技发展的三大支柱,而能源是人类生存和发展的基础,是国民经济的攮础产业。在新能源的丌发中,核能是比较现实的选择之?,核能将成为二一世纪主要的能源,人们已普遍认为,核能是一种安全、可靠、经济和清洁的能源,符合可持续发展的方向。核电站是核能和平利用的主要途径,压水堆核电站是世界上技术相对最成熟的反应堆。压水堆核电站的核岛中三人主设备:反应堆压力容器、蒸汽发生器和稳压器包含三大捌料系统,刘低台会高强钢,/锻件和铡板,超低碳奥氏体不/ 等锻锈钢/锻件
8、和管材,以及镍基合余件和管材。对这些材料接头或堆蜱层和隔离层的焊接/堆焊,同样包括上述三类合金系统的焊接材料,其中不锈钢再“吒合金铡之【、镍基合会与不锈钢或低合会铡之间异彳金属接头镍点合金烀接足炎复杂、要求离、难度火的技术,某些焊接闷题到日也朱能很好解决。任核电站的运仃过程,这些焊接接头承受腐蚀、高温、高压、中子辐照和疲劳载衙的作用,在穴水和事故状态还承受冲击载荷和腐蚀应力的作川,篮求绝对。奠今稚:。镍基龠金其有良好的高温性能、抗腐蚀晶间腐蚀、应力腐蚀等性能、抗高温蠕变性能、抗疲劳性能、抗中了辐照性能及介于低合会钢和不锈钢之间的热膨胀系数,被应用二不锈钢与低合金钢之刚过渡连接焊接材料、蒸汽发生
9、器的形换热管、反应堆压力容器的管庸及中子测量管座等关键部位。早期核电站主设备应用的镍基合盒主要为 和合会系统,从二十世纪八纠初切始,【在。塑核。的在役检查中,发现上述合金系统的部件和焊缝存在不少的应力描蚀裂纹。分析研究后认为和镍躲台;:材料本身的合金系统有荚,所以从此以后,新建的核电站主设备巾的镍基合金更改抗应力腐蚀性能优良的合盒系统,一二种利料的化学成分见表.。早期焊接材料采用的足 合盒系统焊接材料,二十世纪八十年代后期美国公司首先”发了出了使合于 合金系统的核级专用焊接材料。系统镍基合会,含碳量低,铬含量高,具有出色的抗各种水介质和高温气氛腐蚀的性能,在高温水环境中,表现出腐蚀率低和优良的
10、抗应力腐蚀性能,这花是核电设备所期盼的;除此之外,还有强度高、冶会稳定性好和加工工艺性合适等特点。实践表明,通过定的艺措施, 材料本身,以达到较好的焊接性,但是具有合会系统的焊利焊接时,仍然存在众所周知的问题:第一章绪论 上海变通大学硕:论文表 镍基合金化学成分首先焊缝中易产生裂纹和微裂纹热裂纹;其次大厚度异种金属接头镍基合金焊缝金属延伸率出现降,第三就是焊缝对气孔敏感性较大。特别是焊缝中的微裂纹问题和焊缝金属延伸率下降问题,一直是困绕焊接方面的难题。有关文献介绍中,合盒系统焊缝的抗热裂纹能力较好,其热裂纹敏感性要比材料低。但是,如果焊缝成分控制不好,或者焊接二:艺未进行优化,裂纹发生的概率依
11、然会很高,同时,焊缝会属力学性能特别是拉伸延伸率和断面收缩率的裕度较低。秦山二期核电站反应堆压力容器中接头结构见图一镍基合金部件及有关图一】反席堆压力容器平接管一安全端接头结构简倒.一上海交通学硕论文第一帝绪论合命系统,其中接管一安全端异种金的镍基合会焊接材料均采川了属镍基合会焊接.即带有不锈钢堆焊层的低合盒钢和不锈钢之间的焊接,一直是反应堆压力容器焊接中最大难点之一,主要问题依然是微裂纹和力学性能下降。在制造前期镍基合盒的焊接试验中,焊缝中也发现了少量的微裂纹及焊缝金属延伸率下降较多,本研究结合秦山二期核电站反应堆压力容器的制造,在产品接管一安全端异种金属接头实施焊接前,通过试验研究以明确
12、焊缝金属中产生裂纹和塑性下降的原因和影响因素,列所采用的镍基合会焊接材料按产品接头的结构和技术条件对其理化和力学性能作出全面的评定,提出合理的焊接工艺方法、焊接规范参数和工艺措麓,应用于我国酋台国产反应堆压力容器接管安全端异种金属镍基合会接头的焊接,使接头性能满足技术条件的要求。.综述.结晶裂纹镍基合盒焊接热裂纹主要有结晶裂纹、液化裂纹和高温失塑裂纹“。焊缝?发现结晶裂纹和高温失塑裂纹,其最敏感的是结晶裂纹。焊缝余属在结晶过程中,常情况下,总要经历液态?液固态?同液态?固态儿个阶段,在液固态液相占要部分时,液桐的流动能够补偿结晶收缩和任何应变,也即固相晶体之的间隙能及时被流动的液态金属所填充,
13、这样就把应力限制到了很小的值,因而在浚阶段不会形成裂纹。在固液态固相占主要部分时,晶体可以交织长合成骨架,局部联生,形成封闭的液膜,使少量的液态余属主要是低熔点合金的自由流动受到限制,这时塑性形变的基本特点是晶体间的相互移动,晶体本身也可能发生一些变彤。晶体问残存的液相不易自山流动,在拉伸应力作用下所产生的微小缝隙都无法充,技品问的液相的流动不再能够减少应变,塑性降低到最低,?占们儿乎小能提供机械力。就可能扮演裂纹源的角色,稍有拉伸应力就有产生裂纹的”,能, 这个阶段叫做“脆性温度区”,即图上日之川的温度范围。当会属全鼹凝豇后,它的变形能力又得到迅速提高,很难发生裂纹。脆性温度唰与合金状态图的
14、“有效结晶温度区州”存在对应关系,如图。在脆性温度区削材料的低塑性或脆化只是形成热裂纹的条件之一,如无拉伸应力引起发生并达到一定的应变量则不会产生裂纹。因此,是否产生裂纹,除了与反映金属本身特性有关的冶会因素即胎性温度区削与塑性变形能力。有关外,还取决丁力学因素即会属在该区问内随温度下降的应变发展情况署。当合盒在脆性温度区问内的应变咀直线的斜率增长时,则其达到的内应变量则不会产生裂纹;如为直线时,。,必定产生裂纹;如按直线增长,则在黾时,。?好是产生结晶裂纹的临界条件,称为临界应变增长率:与材料特性,。订笑,它综合地反映了材料结品裂纹的敏感性。因上海交通大学硕士论文第一帝绪论的镍基合金焊接材料
15、均采用了 合会系统,其中接管一安全端异种金属镍基合会焊接,即带有不锈钢堆焊层的低合余钢和不锈钢之间的焊接,一直是反应堆压力容器焊接中最大难点之一,主要问题依然是微裂纹和力学性能下降。在制造前期镍基合金的焊接试验中,焊缝中也发现了少量的微裂纹及焊缝金属延伸率下降较多,本研究结合秦山二期核电站反应堆压力容器的制造,在产品接管一安全端焊缝金属中产生裂纹异种金属接头实施焊接前,通过试验研究以明确和塑性下降的原因和影响因素,对所采用的镍基合余焊接材料按产品接头的结构和技术条牛.其理化和力学性能作出全面的评定,提出合理的焊接工艺方法、焊接规范参数和工艺措麓,应用于我国首台国产反应堆压力容器接管一安全端异种
16、金属镍基合会接头的焊接,使接头性能满足技术条件的要求。.综述.结晶裂纹镍基合会焊接热裂纹主要有结晶裂纹、液化裂纹和高温失塑裂纹”。焊缝巾发现结晶裂纹和高温失塑裂纹,其最敏感的是结晶裂纹。焊缝余属在结晶过程巾,常情况下,总要经历液态?液固态?固液态?固态几个阶段,在液固态液相占要部分时,液桐的流动能够补偿结晶收缩和任何应变,也即固臼晶体之的间隙能及时被流动的液念金属所填充,这样就把应力限制到了很小的值,因而在该阶段不会形成裂纹。在固液态固相占主要部分时,晶体可以交织长合成骨架,局部联生,形成封闭的液膜,使少量的液态余属主要是低熔点合金的自由流动受到限制,这时塑性形变的基本特点是晶体问的相互移动,
17、晶体本身也可能发生一些变彤。晶体问残存的液相不易自山流动,在拉伸应力作用下所产,虹的微小缝隙都?法填充,枝品洲的液相的流动不再能够减少应变,塑性降低到最低,?。占们儿乎不能提供机械阻力,就可能扮演裂纹源的角色,稍有拉伸应力就有产,上裂纹的叮能, 这个阶段叫做“脆性温度区”,即图.上之的温度范围。当会属全郑凝固后,它的变形能力又锝到迅速提高,很难发生裂纹。脆性温度区川与合食状念图的“有效结晶温度区问”存在对应关系,如图.。在脆性温度区削材料的低塑性或脆化只是形成热裂纹的条件之一,如无拉伸应力引起发生并达到一定的应变量则不会产生裂纹。因此,是否产生裂纹,除了与反映金属本身特性有关的冶会因素即纷睦温
18、度区与塑性变形能力。有关外,还取决于力学因素即会属在该区间内随温度下降的应变发展情况。当合金在脆性温度区阳内的应变以直线的斜率增长时,则其达到的内应变量 则不会产生裂纹:如为直线时,。必定产生裂纹;如按直线增长,则在时, 好是产生结晶裂纹的临界条件,称为临界应变增长率:与材料特性,。订荚,它综合地反映了材料结品裂纹的敏感性。因海交通人学硕士论文第一章绪论此,是裂纹敏感性更为合适的判据。当时必定发生裂纹。? 。“ 。./父? ? %一幽.结品过科中的脆性温度区?. 。心鑫处狲/&. .蜇羼:.一芷又墨、.%蚓.凝川温度区间塑性变化特点及裂纹形成条什”.?虫上所知,凝裂纹的产生与否主要取决于以两个
19、方面:脆性温度区内金属所具有的塑陛胁即凝固裂纹的阻力;在脆性温度区问内会属变形率大小即凝固裂纹的驱动力。当时,就产生裂纹。因此,要实现焊接凝固裂纹开裂倾向预先应获得两方面的数据:材料在脆性温度区间的凝固裂纹阻力曲线和这一温度区间的驱动力。对于凝固裂纹曲线即凝固塑性曲线,可通过试验测试得到。而凝固裂纹的驱动力曲线影因素因素非常复杂,与不同的焊接工艺、接头的结构密切相关,所以目主要采数值分析方法获得。影响热裂纹产生的因素包括冶金因素和力学二海交通大学硕上论文第一章结论因素,冶会因素是最基本的,主要由材料的合金系统合会元素所决定。一般认为,合金系统的焊接材料包括具有较好合金的焊接性,可变拘束试验结果
20、表明其热裂纹敏感性比系统的焊缝金属要低”,但在实践中,仍然发现了出现微裂纹和塑性下降等镍基合金焊接易发生的问题。 系统焊接材料丌发至今只有年时间左右,缺乏比较系统而全面的研究,特别是在热裂纹机理方面。为了解合金成分和焊接工艺参数对 材料焊缝性能的影响,采用焊接性能和焊接工艺试验方法来进行研究是必须却有效的手段,同刚,利用计算机技术,对系统焊缝金属热裂纹敏感性用数值分析的方法进行预测或评估具有十分重要的现实意义,这样做,能更进一步明确机理,优化合余成分,在采购材料时提出更合理的成分范围:同时可以减少试验,节约昂贵的镍基材料,并将选择焊接工艺参数中凭经验或感觉的程度降到最低。借助汁算机刚数值分析的
21、方法剐焊接桐关过程进行模拟和预测,是当前焊接技术一个发展方向,并且已在焊接传热传质、温度场、动态应力应变、残余应力应变、组织预测、扩敝氢等乃丽已取得了卓有成效的:作”刚” 在焊接热裂纹敏感性的预测评估方丽,国内外已:展了相关的作,并取得了一定的成果”。对热裂纹进行预测的判掘目莳主要有髓秘方法,一秘方法是通过数值模拟来获得脆性温度区的应变量热裂纹驱动力,与焊缝金属临界应变热裂纹的阻力进行比较来判断热裂纹产生与否,当 时,就确定产了裂纹,文献刈此作了究。一种方法带有一一定的经验假设,对热源届丽沿着焊缝中心线液固混合区中固相分数在.至.之涮的豁位对横向应力进行计算,如果横向应力是拉伸,则假设产生了裂
22、纹,文献就采用了这种方法对航空用超合金的焊接性进行了数值分析。从理论上束说,第一种方法应是比较准确的,但是,数值分析中要用列材利村和焊缝金属的许多物理性能,特别是高温状态下物理性能受到铡量于段的限制,非常缺乏,必须要做一定的假殴和推算,使亡算的精度受到影自,同时,焊缝:凝同过程凝固点是变化的,特别是对热裂纹有明显影响的低熔共晶的存在,使凝吲温度大大下降,这在热裂纹的数值分析中很难加以考虑,这些冈素也使热裂纹数值模拟预测的可靠性下降。影响热裂纹除了材料母材和焊材小身化学成分、纰织等要闪素外,还和接头结构、蚪接工艺、坏境、焊道布骨等许多因素有关,通过可变拘束试验或试验测得的热裂纹的阻力即临界应变牢
23、,不能完全代表各种条件下热裂纹的阻力,这也给热裂纹预测的实际应用带来了难度,所以,口洒过数值分析来确定材利热裂纹敏感性及影响因素的印象程度,只能做为一种辅助手段。总的束说,要克服焊缝中产生裂纹和微裂纹,除了在工艺方面进行优化外,最根奉的下段足调整焊接材料中微莆合会元素的配比和严格控制杂质元素,也即采用抗裂性能好的焊接剧料。.焊缝金属力学性能:海交通大学硕士论文第一章绪论镍基合会焊接接头在焊态时的高温强度和塑性,与母材相比均有所下降,这就是为大家熟知的焊接接头的“等强性”问题。对于异种金属接头,“等强性”性质发生了变化,主要的问题是大厚度异种金属接头中,焊态镍基合金焊缝金属的塑性相比小厚度接头的
24、焊缝会属或堆焊熔敷金属,有较大程度的降低,甚至无法满足产品技术条件的要求。对多道多层焊接接头,后一焊道的加热冷却过程导致的膨胀和收缩对前面焊道必然产生一定弹塑性变形和热疲劳作用,使得在焊缝和近缝区产生残余应力和属性变形,对于产品焊接接头,由于存在拘束,接头无法自由变形,导致更大的焊接残余应力和焊道局部塑性变形,从而使焊缝金属的力学性能发生变化,塑性降低。为解决此问题目日在生产上能够使用方法不多。最简单的方法是采用塑性裕度大的焊接材料,塑性降低但不影响产品的使用,其次通过热处理可以得到定的恢复。对于塑性降低的产生机理及克服措施的研究的不多。.焊缝中的气孔镍基合余焊接时,形成气孔的敏感性较强。造成
25、气孔的因素较多,焊件坡口表面的潮气、油污、氧化物等,在氲弧焊时,即使很少量的空气也可能污染电弧保护区域,在焊接加热过程,由吸附和分解成氢、氧和水气等.再加上焊接熔池在高温状念下:更能溶解较多的氢、氧、氮等气体。氢的溶解度随熔池温度的下降而减少,将会产生氢的吸集,同时由。.镍基合金熔池的流动性差,使气体逸出的速度降低,而易二彤成气孔。镍基合金熔池液态金属能溶解较多的氧气,而在固体时溶解度急剧下降,相差达到倍左右。此时焊缝金属中的氧就会过剩,与镍生成,与发生如下反应啊:一:侥一这些,。和均有可能形成气孔。虽然通过对焊什坡口表嘶加强清理、选用合适的焊接材料和采用合理的焊接舰范参数可以避免产生气孔,但
26、实践表明,焊缝金属中出现气孔的概率依然较高。.论文的主要内容和结构本论文以我国酋台秦二期核电站反应堆压力容器接管一安全端异种金属镍基台金接头焊接为背景和目的,对 焊接的主要问题和影响因素进行讨论,就所选用的焊接材料和焊接工艺进行初步焊接试验,对试验结果焊缝余属理化和力学性能和现的问题进行分析。对所用的焊接材料的裂纹敏感性通过是试验进行评价。在此基础,提出解决阅题豹方法和措旌,实麓模拟产品焊接接头的模拟试验,对接管一安全端异种金属镍基合金接头性能作出全面的评定。本论文分血个部分:海交通人学硕士论文第一常绪论第一部分为前言,提出了研究背景和目的,并对镍基合金焊接的主要问题原因和杌理作了简单的论述。
27、镍基合金焊缝金属组织第二部分为组织特征和影响因素,分析了形态,讨论了影响焊缝组织形态、焊接缺陷和焊缝金属力学性能的因素。第三部分为焊接试验,就所选用的焊接材料和确定的焊接工艺进行堆焊、板对接和管子对接焊接对比试验,对焊缝金属的金相和力学试验结果进行分析讨论。对出现的问题:焊缝中的微裂纹、塑性不足和气孔就其产生的原因进行分析,探讨焊接材料化学成分和焊接工艺参数的影响。第四部分为验证试验,完全模拟反应堆压力容器接管一安全端异种金属接头的结构特征。制需和焊接试件。对试什的焊接接头、焊缝金属的理化和力学性能进行全面的评定。第部分为论文的总结,得出结论和刑未束的研究工作提出看法。第二章组织特征和蟛响捌素
28、 上海交通大学硕士论文第二章组织特征和影响因素.材料的组织和性能合令,是一种高镍基合金,具有优良的抗各种腐蚀水介质和高温气氛性能,在各种高温水中, 合金表现出了很低的腐蚀率和优良的抗应力腐蚀裂纹的性能,而且.具有高强度、良好的冶金稳定性和加工特性,所以在压水堆核电站核岛卡设备中有了广泛的应用。 合金的化学成分范围见表,图.为合金拉伸性能随温度的变化曲线。 合金为奥.。 ; 。兽、焉 ?。?、 ,署面呈/?,一一一卫.易 坶%.。图合金退火态拉伸性能?. 氏体固溶台会,对碳元素的溶解度不高,所以合金组织中一般均含有碳化物,主要的碳化物是,其分御随碳含量和热循环的不同而变化,其它化合物一般是钛氮化
29、合物和碳氮化合物。图、为合金的金相组织照片和扫描电镜照片。和照片表明合金为单相奥氏体组织,在基体晶粒内或晶界处分布有碳化物颗粒。占塑窒望查兰堡圭堡塞苎三皇坐堡丝笪塑墅堕型鲞图 台金退火态金相组织照片%草酸电解腐蚀?.: .嘏片 照片。图. 合金 热处理态金相组织片%磷酸乜解腐蚀和描镜” 化学腐蚀? , , ., ,: ,;,.镍基合金焊接特点和影响因素早期焊接,合金采用的是合盒系统的焊接材料,在上世纪八年代后川,美 公司首先丌发出了与 合金成分匹配的焊接材料:一 焊丝和一焊条, 九十年代中后期比利时的公司也丌发出了相应的焊材: 焊丝和焊条。目前国际已订诩:多焊材牛产厂商能提供同类焊利。本文针对
30、反应堆压力容器:海交通大学硕土论文第二章组织特征和影响?索接管一安全端接头的焊接工艺方法一一窄坡口脉冲自动氨弧焊,因此本文对合盒系统氩弧焊及焊缝金属性能进行试验研究和讨论。氩弧焊缝组织为单相树枝状奥氏体组织,图.为自动氩弧焊焊缝的金相组织照片。照片中可明显观察到焊缝组织为胞状和柱状树枝晶。 . . .陶焊缝金属金相组织照片铬酸电解腐蚀,. 山于焊接是一个复杂而又不平衡的熔化结晶过程,所以镍基合金焊缝中会出现母材中没有的脆性会属问化合物相,如、相,这些脆性相会对焊缝金属的力学性能和抗腐蚀性能产生不利的影响,并使焊缝热裂纹敏感性增加,焊接过程中少量相的析出就可能导致焊缝中出现热裂纹,相具有较高的硬
31、度和脆性,当以片状析出时,裂纹就很易沿。相产生和扩展。相实际是:或。化合物,而且还能熔入其它合金元素,呈块状存在,使合令的热强性和塑性降低。二海交通大学硕士论文第二市组织特征和影响【斗翥图?所示的焊缝金相会相组织中,在晶粒和晶界处存在一些黑色的小颗粒。有研究者”对这些小颗粒分析发现含有较高含量的钛、氮和碳元素,凶此可能是一些碳氮化台物,如等。焊缝的结晶模式取决于结晶条件和合会元素,合金元素是决定焊缝组织的根本因素,焊缝组织的细密程度由冷却速率控制,众所周知,焊缝冷却速度越快就越有利于细化亚晶组织,随冷却速度的增加,焊缝亚晶组织出胞状枝晶向柱状枝晶转化或从柱状向等轴枝品转化,缩小结晶温度区问,减
32、少结品偏析并抑制脆性相的析出,从就降低了纬品裂纹的敏感性,提高了焊缝余属的塑性,改善了焊缝金属的综合力学性能。图 表示了结晶温度区与晶内偏析随冷却速度变化的情况。.%九纵蝴皮彳,品内偏析随冷却速度变化示意幽”. 上海锅炉厂在承制秦山一期蒸汽发生器和稳压器中,对于合会系统镍基合会手虎弧焊工艺中,提出的“类固溶”的概念。”,采用一定的方式加快焊缝冷却速度,发现可明显细化焊缝组织,树枝品组彭减少,转变成定数量的等轴晶。吲蹦,发现焊缝中出现裂纹的概率也扣大为降低。上海交通大学在和上海锅炉厂合作的课题试验也发现加快焊缝结晶速度,无论是。还足.于匕弧州缝,加伙焊缝结黯冷却速度都可明显降低裂纹敏感性”“。科
33、院金属所的:者昌,吖也的研究,得出溶池尾部和阴侧的局部快冷使高温停留时缩短,可钉效减少焊接热裂纹”。镍掘台金合金冗素多.组易:又是单相奥氏体组织,对合盒元素的溶解度是有限的,这些合会元素与基体中的和作用,生成会属间化合物。为了获得各项性能优良的焊缝,焊.查何诈确选择焊接材料和抗裂性高的焊缝余属是非常重要的。在选择焊丝时,应选择加入、等元素的焊丝。因为这些可以舫止焊缝金属产,裂纹和气孔等缺陷,弭 是强烈的脱氧剂,它们均能提高晶问液相的结晶温度和流动性,既可缩小结晶温度区间,并可细化晶粒,打乱了焊缝的数技状晶体犬方向性,强化了固熔体。的作用是细化晶粒,增加晶界叫积,使低熔点共晶及易引起裂纹的杂质不
34、致过分集中在晶界上,从而减少了晶界表面上有害元素的浓第二市组织特征和影响川索 :海交通大学硕士论文度,改善了晶界的抗裂性。在镍基合金中的溶解度是有限的,当液体熔池中含量超过溶解度时,过剩的即与形成的化合物。因此,焊丝中的含量是不宜过高的。在镍基合金中是碳化物形成元素,它可明显起到固溶强化和时效强化作用,而且也提高合金的热强性。第二章焊缝金属件能试验 :海交通大学硕士论文第三章焊缝金属性能试验.试件制备.试件形式焊接试验所用的试什了采用二种形式,第一种为堆焊形式;第二种为平板对接形式;第三种为管子对接形式。其形状、尺寸及坡口形式分别见图、图和图。幽堆焊试什试仆示意幽. 削,扳对接试什试件示意削
35、. 蚓管对接试什试什示意倒 . .:塑茎望查兰堡主堡苎塑兰塑丝垒昼生堂堕壁.试件材料试件和试件所用的母材为 材料,牌号为,试件用材料是从尺寸为的锻件上截取。试件的结构模拟了反应堆压力容器接管一安全端异种金属接头,母材的材料为低合金钢锻件,母材的材料为奥氏体不锈钢锻件,这些材料的化学成分和主要力学性能分别见表.和表。焊接材料采用同为 合金系统的三种不同和牌号的焊丝,如下表.,试验中选择了两种:。焊接材料熔敷金属的化学成分和主要力学性能分别示于表?和表中。表焊接材料表材料化学成分. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .函 . . 】. . .
36、. .晶. 唧. . . . . .余.忍.岛。岛. . .?. . . . .盖 .喊 裟盎.【. . . . . . . .表材料的主要力学性能拉伸性能冲击性能室温 保载分钟 州 , ,% % % . . 。,. 深缺. . .深缺 】,深缺口?.上海交通大学硕士论文第三章焊缝金属住能试验.试验条件焊接方法采用脉冲自动氩弧焊工艺。焊接电源和控制系统采用法国公司制造的 焊机,焊接机头部分由华恒焊接设备有限公司制造。对于脉冲自动氩弧焊工艺,试验中共采用了套焊接规范参数,见表。为充分了解焊接材料、焊接规范参数、冷却速度等工艺条件焊缝金属有关性能的影响,共设定了付试件,试件阿付、试件两付,试件一付
37、。试验焊接等条件分别见下表。表脉冲自动氲弧焊规范参数极 摆峰值/基值也弧电峰值/基值脉冲频送丝速度焊接速度氖气流培名称性 动乜流压刚问率/ . ./. .规范直. .规范 / ./. 流否反 规范 / ./接规范 /,/.表试验条州试什 焊接材料 冷却条仆 道问条:篇羹奚; 道需熹度 嚣釜试什 试什规范。,。?嘎篓翥,栗磬霆平焊试什酬嚣薹:。,。晒四整等:栗誊霪甲焊“试什 试什规范。” 舞翁粟辜丙鬻翥理平焊试仆删。烈范。繁嚣黪蒜荔瓢丙篙落理平焊试什 圭觅范。 试什 横焊。管溶嚣水 阿鬻嘉理.试验结果对焊接试作进行解剖,截取焊缝金属,加工焊缝金属拉伸试样和金楣试样,拉伸试样的轴向平行于焊接方向,
38、部分试样加工前进行了的热处理;本试验中拉伸试样均采标准规格,其尺寸为巾。试样加上后进行拉伸试验和金相检验。试验结果见下表和表?。海交通人学硕士论文第三章焊缝金属性能试验表焊缝金属拉伸性能试验温度: 试验温度:试样 试样 。试件名称 。,编号 状态% % % 规范要求 焊态试,:热处理态 焊规范试什态规范试什 焊态试什 焊态 焊态试什热处理态表?焊缝金相检验结果试件试仆 试件 试什 试什检验截而数精气孔数域 /裂纹数最裂纹最人应. . 一缝纰移 奥氏体 奥氏体 奥氏体 奥氏体 奥氏体从试验结果町以发现,焊缝余属化学成分、焊接冷却条件、层道间清理等条件对焊缝会属性能的影响足非常明显的。群试件和群试
39、件的焊接条件完全相同,只是两者所用的焊丝牌号不同:和 焊丝。从上表和表中,可发现焊焊丝熔敷金属延仲率数值较低,塑性裕度明显不足,和丝差别较大,而试验中也发现该焊材对裂纹敏感性较大,试验结果显示,焊缝中未发现裂纹,而在 焊缝金属中则发现了裂纹。分析化学成分,杂质元素、的含量两者均达到了很低的水平,极大部分合金元素含量两者相差不大,其中含量相差最明显, 是 焊丝的二十几倍,是碳化物形成元素,它可明显起到固溶强化和时效强化作用,而且也提高合盒的热强性堪,在有的文献中“,认为元素在镍基合金焊接中对降低热裂纹倾向是有利的。含量相差也较明显, 是焊丝的三倍左右,是镍基合金中不可缺少的合金化元素之一,它与铝
40、相似,既可脱氧产生氧化物,又可产生时效硬化作用,同时可减少焊缝金属产生疏松、气孔等缺陷“。另一个相差较大的是含量, 焊丝熔敷金属中含量比 焊丝多接近一倍,使比值降低。试验结果表明了,焊丝中即使只有个别合余元素的含量发生一定的变化,焊缝金属的性能也会发生较大的变化。因此,可以认为 焊丝的成分配比不是最合理,尚可进一:海交通人学硬:论文第三三章焊缝金属性能试验步优化。焊接规范参数对焊缝金属性能的影响不明显,试件的焊接电流比试件咀显大,试件焊接线能量分别为/和/,而撑试件的焊接线能量只有./。但两者在拉伸性能和金相检验结果上的差别不明显,延伸率均低于%,和试件焊缝均发现了微裂纹.如图金相照片。幽焊缝
41、结品裂纹,铬酸电解腐蚀 . ,焊缝拎却条件刁同,对焊缝余属力学性能和金相组织的影响是明显的,见图.、余相照片。如果试件置于流动水中,焊缝金属塑性有一定的提高,和试什比试件的焊缝金属延仲率明显要高。同时,裂纹敏感性也降低了,群试件和试件比存试件的裂纹发生的概率检查面裂纹数量和长度要小的多。焊缝金属冷却速度的提高,降低了进入到焊缝金属中的热量,缩小结晶温度区间,减少焊缝在结晶和冷却过程中热裂纹产生的各敏化温度区的停留时间,从而减少结晶偏析并抑制碳化物及脆性相的析出,并使柱状晶细化。表.中所列的数据为与试件和试件同样的焊件实测的离熔合线约处热影响处的冷却时间和冷却速度。从表中的数据可发现,试件置水中
42、焊接时焊缝冷却速度比置于空气中要明显大。幽焊缝金属金相组织照片,铬酸电解腐蚀,. 第三市焊缝金属性能试验 上海交通大学硕士论文表空冷和水冷焊缝热影响区冷却速度的比较从到 从到 从到冷却时间 冷却速度 冷却时间 冷却速度 冷却时间 冷却速度空冷 . / . / . /. 水冷 / . / . ,试件焊缝的金相检查中发现存在多个规则圆形针孔,见图和图?所示金相照片,大小为巾.中.,孑洞处于氩弧焊焊层内,为气孔特征。这和焊枪氩气喷嘴的形状和氩气流量不适合试件的窄坡口和横焊位置有关。所以喷嘴的结构有待改进,氩气流量有待调整。幽焊缝宏观她片图焊缝中的孔洞图中箭头所指即为针孔 .、焊后热处理热时效,消除焊
43、接残余应力是其中的个重要的作用,除此以外,还具有如下几个方面等的作用:稳定尺寸和形状;软化热影响区;增加焊缝金属的延性:提高断裂韧性;排出含有的气体:改善糯变性能;提高抗腐蚀性能:增加疲劳强度。因此焊后热处理对焊缝金属的塑韧性的改善是有益处的,从群试件和群试件的焊缝金属拉伸性能看,热处理后。延伸率均有了一定的提高,热处理前分别为%、%年%,热处理后则分别达到了%、%和%。屈强比也有了明显的改善,分别由.、.和.变化为.、.和.。在核电站主设备的制造规范中,对接管一安全端接头焊缝金属的塑性即延伸率指标是有考核要求的,即最低要达到%.丽在上述试验中。 焊丝的焊缝盒届有多个试样其延伸率未达到最低要求
44、。对延伸率较低的拉伸试样、断口和延伸率较高的拉伸试样断口进行电镜扫描分析和能谱分析。断口扫描电镜照片见下图,经观察断与试样轴向约度,断呈纤维状,试样断口在电镜下的主要特征为韧窝,但试样、断口上均观察到了一处刻面,放大后呈自出结晶特征。这表明焊缝中存在缺陷不连续,以自出结晶特征而言.这种缺陷可能为气孔、未熔合、晶间夹杂、裂纹等,但从形态分析,它不具各未熔合的特点,应为气孔或夹杂或枝晶间孔穴等类型缺陷。洳使墟人学坝。论义第一幸焊垃盒能试母盘上海交通大学坝.论文第三章焊缝金属性能试验 图焊缝金属拉伸试样断口扫描电镜片 .对试样断口的刻面部位和正常的韧窝区进行能谱分析,相应的谱图见图。从相应的谱图分析中可发现,刻面部位杂质元素、偏析不明显,其含量与正常分析结果相差不大,而、元素的偏析相对较大,与正常分析结果相差约倍。从电镜和能谱分析结果可认为拉伸断口上的刻面是由于焊缝晶界处存在央杂物、氧化物和偏析造成的组织疏松等缺陷而引起的。. 幽试样断口能潜图.小结材料焊接性和焊缝从对比试验结果及分析检验