基于XRD的Inconel 690和321不銹鋼 異種金屬焊接殘余應(yīng)力測試與分析

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(中國核動力研究設(shè)計院 反應(yīng)堆燃料及材料重點實驗室，成都 610213)

某小型反應(yīng)堆中，兩個關(guān)鍵設(shè)備的連接是通過Inconel 690和321不銹鋼異種金屬焊接實現(xiàn)的，該焊接結(jié)構(gòu)屬于大尺寸環(huán)形端接的特殊結(jié)構(gòu)。焊縫采用自動添絲氬弧焊連續(xù)施焊365°，經(jīng)由一百余道層焊接完成。因多層多道焊的應(yīng)力累加，加之異種材料的冶金不連續(xù)和端接結(jié)構(gòu)的應(yīng)力難以釋放等問題，很可能給焊接接頭帶來安全隱患，引起應(yīng)力腐蝕、疲勞斷裂[1]。

由于該焊接接頭結(jié)構(gòu)在工程應(yīng)用中可能會長期處于熱、力、輻照及冷卻劑循環(huán)腐蝕的復(fù)雜工況環(huán)境下，這種異種金屬焊接接頭往往是系統(tǒng)及設(shè)備的薄弱部件，常常在壽期之前就可能產(chǎn)生大量的缺陷。為了確認該結(jié)構(gòu)在實際應(yīng)用中的可靠程度，需掌握該結(jié)構(gòu)焊接區(qū)域的應(yīng)力水平和分布，繼而提供強度及剛度數(shù)據(jù)輸入，為后期的焊縫可靠壽命評估提供技術(shù)輸入。

目前殘余應(yīng)力測試分為機械方法和物理方法:機械方法帶有破壞性，操作方法繁瑣;物理方法屬于無損測量方法，其中X射線衍射法是目前物理方法中較為成熟、應(yīng)用最廣泛的方法[2-3]。筆者應(yīng)用X射線衍射法測試異種金屬焊接接頭表面，獲得表面多個應(yīng)力值，分析得出接頭狀態(tài)與分布。

1 試件及焊接工藝

采用與實際工程一致的材料、結(jié)構(gòu)和工藝制作試件。試件由兩個大型設(shè)備端焊接而成，其材料分別是奧氏體不銹鋼321與Inconel 690合金，焊縫填充材料為鎳基690類焊絲ERNiCrFe-7A，焊縫的結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

圖1 焊縫結(jié)構(gòu)示意

焊縫及其附近為一環(huán)形結(jié)構(gòu)，外徑達323 mm，內(nèi)徑為215 mm，坡口角度為20°，深度達30 mm。為了防止角變形或自動焊時發(fā)生燒穿現(xiàn)象，采用第一層手工TIG(非熔化極氣體保護焊)打底焊，其余各層全自動TIG焊相結(jié)合的方式。具體焊接工藝參數(shù)如表1所示。焊接順序為從上往下看沿順時針方向，共計34層112道。

表1 焊接工藝參數(shù)

2 檢測方案

2.1 區(qū)域劃分與測點設(shè)計

被測件整個焊接接頭表面積超過40 000 mm2，而射線探頭直徑只有2 mm，可通過以部分代替整體的思想來選定具有代表性的區(qū)域與點位進行測試，從而獲得整個試件表面殘余應(yīng)力的狀態(tài)與分布情況。在工件表面每隔90°劃分一個測量區(qū)域，標記1～4共4個區(qū)域，其中3號臨近區(qū)域為起收弧位置，如圖2所示。

圖2 檢測區(qū)域劃分示意

圖2中環(huán)形筒壁外側(cè)母材為Inconel 690合金，內(nèi)側(cè)為奧氏體不銹鋼321。整個焊接接頭分為母材、熱影響區(qū)、熔合線以及焊縫金屬。由于奧氏體不銹鋼321側(cè)熔合線的殘余應(yīng)力分布具有隨機性，無規(guī)律，不具有代表性，故不測量該條熔合線。因此每個檢測區(qū)域選定包括母材區(qū)、兩側(cè)熱影響區(qū)、Inconel 690側(cè)熔合線以及焊縫在內(nèi)的8個測量點進行檢測，如圖3所示。

圖3 檢測點位示意

2.2 試驗準備

試驗用基于XRD(X射線衍射)原理的XSTRESS3000型X射線應(yīng)力儀來測試焊接接頭表面殘余應(yīng)力。該套設(shè)備由測角儀、X射線發(fā)生裝置、樣品架臺、控制器、冷卻裝置、軟件和電源等幾部分組成。由布拉格方程可知，衍射角θ越大則測量引起的誤差越小[4]，所以實際測量時應(yīng)選擇θ角盡量大的衍射面。試驗中鎳元素的推薦衍射角范圍為140°～ 160°。

測試前要在無應(yīng)力標樣上進行設(shè)備校準。XSTRESS3000設(shè)備選用Mn靶，在無應(yīng)力的奧氏體不銹鋼標樣上校準，測定衍射角2θ角為152°，最大誤差≤±14 MPa，正常情況下誤差在±6.9 MPa之間，說明儀器校準合格。選用直徑為2 mm的X射線檢測探頭，設(shè)置多曝光模式，單次曝光時間為10 s，入射側(cè)傾角分別為0，±24.1°，±35.3°，±45°，靶電壓為30 kV，靶電流為6.7 mA。

檢測焊縫時，由于焊縫可能存在夾雜物、裂紋或氣孔，該區(qū)域晶粒長大會形成柱狀晶粒，而在其表面伴有應(yīng)力梯度。檢測時可采取以下措施來盡量避免可能出現(xiàn)的以上問題：① 選擇一個足夠大的輻射區(qū)域獲得一個有用的平均表面殘余應(yīng)力；② X射線光斑盡量小一點，輻射面積應(yīng)該小于被分析表面被測應(yīng)力方向曲率半徑的0.4倍；③ 多次采集合理有效的數(shù)據(jù)，保證數(shù)據(jù)準確度[5]。

XRD測試要求試件表面具有較好的平整度與粗糙度，一般要求粗糙度Ra不大于10 μm。采用砂輪打磨試件表面，在打磨之后配制45 ml乳酸、45 ml甲醇、10 ml HCl混合的電化學(xué)腐蝕液，設(shè)置電流為0.6～1 A，電壓為6 V，腐刻試件表面去除掉打磨影響層。

XSTRESS3000材料數(shù)據(jù)庫中有Al、Ni、Ti、Inconel、Fe-austenite等多種材料性能參數(shù)。通過選擇材料種類便捷地向測試系統(tǒng)輸入測試、計算殘余應(yīng)力所需的材料參數(shù)。測試奧氏體不銹鋼材料庫時選用Fe-austenite；測試鎳基合金或焊縫時，測試參數(shù)中的材料數(shù)據(jù)庫改為Inconel。每次測試等待時間約為15 min，單個點位重復(fù)測試3次，每次測試可以獲得環(huán)向殘余應(yīng)力與縱向殘余應(yīng)力。

3 測試結(jié)果與分析

按照上述測試方案測得4個區(qū)域共計32個點位的殘余應(yīng)力值。以鎳基合金母材最外側(cè)筒壁為原點，1#～8#點距原點的距離分別為:5.7,9.6,11.5,14.2,28.9,43.5,48.8,51.3 mm。分別繪出1,2,3,4區(qū)域的從外筒壁到內(nèi)側(cè)的環(huán)向(XSTRESS3000中的0°方向測試結(jié)果)殘余應(yīng)力散點分布，并根據(jù)每組數(shù)據(jù)的平均值(紅點標出)繪出趨勢線，如圖4所示。

圖4 4個區(qū)域的環(huán)向殘余應(yīng)力分布

同樣，分別繪出1,2,3,4區(qū)域的從外筒壁到內(nèi)側(cè)的徑向(XSTRESS3000中的90°方向測試結(jié)果)殘余應(yīng)力散點分布，并且根據(jù)每組數(shù)據(jù)的平均值繪出趨勢線(見圖5)。

從圖4,5中可以看出，整個接頭表面無論是環(huán)向還是徑向殘余應(yīng)力基本呈現(xiàn)出拉應(yīng)力狀態(tài)，4個區(qū)域的殘余應(yīng)力分布類似拋物線形狀，總體上都呈現(xiàn)出中間高、兩邊低的形態(tài)，拉應(yīng)力峰值在焊縫中央附近為200～550 MPa間。而隨著與焊縫中心間距的增加，接頭表面殘余拉應(yīng)力逐漸減小，最外兩側(cè)附近趨近于0。

測試結(jié)果表明應(yīng)力水平最高區(qū)域為焊縫中心，往兩側(cè)母材方向逐漸減小，這與焊縫的焊接工藝和焊縫結(jié)構(gòu)相符，每層熔敷金屬的焊接順序是先兩側(cè)后中間，中心焊道是每層的最后一道焊道。在焊縫中心焊道尚處于熔融狀態(tài)時，中心區(qū)域處于焊縫結(jié)構(gòu)熱傳導(dǎo)條件最差的區(qū)域，溫度累積顯著，中心區(qū)域發(fā)生“熱脹”，由熱應(yīng)力導(dǎo)致的向外拉應(yīng)力水平在單層焊道中最大，此拉應(yīng)力對先前兩側(cè)已經(jīng)冷卻(≤100 ℃)且凝固的焊道材料產(chǎn)生“壓縮”作用，抵消了兩側(cè)焊道焊接時產(chǎn)生的一部分“熱脹”拉應(yīng)力，最終剩余水平較低的拉應(yīng)力。

圖5 4個區(qū)域的徑向殘余應(yīng)力分布

對比奧氏體不銹鋼側(cè)熔合線與鎳基合金側(cè)熔合線殘余應(yīng)力，明顯看出奧氏體不銹鋼側(cè)熔合線應(yīng)力梯度更大，由于試驗所用焊絲為690類鎳基合金焊絲，奧氏體不銹鋼為異種材料，熱物理性能差異較大，焊接加熱冷卻過程造成兩種材料熱膨脹效應(yīng)不同，繼而導(dǎo)致奧氏體不銹鋼側(cè)熔合線應(yīng)力梯度大；然而鎳基合金母材與焊縫材料近似為同種材料，加熱冷卻過程受熱膨脹效應(yīng)不及異種材料顯著，因此鎳基合金側(cè)熔合線應(yīng)力梯度較小。

在1#～8#測試點位中，焊縫中心(5#點位)的3次測試數(shù)據(jù)分散程度較大，表明焊縫中心區(qū)域存在柱狀晶，在晶格附近伴有應(yīng)力梯度，造成X射線衍射分析儀采集數(shù)據(jù)時的不穩(wěn)定性。焊縫中心拉應(yīng)力最大，部分數(shù)值接近甚至已超過材料的抗拉強度。在工程應(yīng)用中，焊縫中心很有可能是裂紋產(chǎn)生的位置，對模塊化小堆的安全運行構(gòu)成潛在的危險，易成為系統(tǒng)的最薄弱區(qū)域。

此外，由于整個接頭基本呈現(xiàn)拉應(yīng)力狀態(tài)，并且該接頭在工程應(yīng)用中會長期受到復(fù)雜工況環(huán)境影響，因此將對焊縫接頭的抗應(yīng)力腐蝕性能及抗疲勞性能造成一定影響[6]，帶來安全隱患。后期還需要對接頭做力學(xué)試驗，繼而獲得應(yīng)力狀態(tài)與分布、強度及剛度數(shù)據(jù)，為焊縫可靠壽命評估提供技術(shù)輸入。

4 結(jié)論

(1) 整個接頭表面無論是環(huán)向還是徑向殘余應(yīng)力基本呈現(xiàn)出拉應(yīng)力狀態(tài)，殘余應(yīng)力分布類似拋物線形狀，總體上都呈現(xiàn)出中間高、兩邊低的形態(tài)，拉應(yīng)力峰值在焊縫中央附近，為200～550 MPa之間。

(2) 對比奧氏體不銹鋼側(cè)熔合線與鎳基合金側(cè)熔合線殘余應(yīng)力，明顯看出奧氏體不銹鋼側(cè)熔合線應(yīng)力梯度更大。

(3) 焊縫中心(5#點位)的3次測試數(shù)據(jù)分散程度較大，表明了焊縫中心區(qū)域存在柱狀晶，在晶格附近伴有應(yīng)力梯度，且焊縫中心拉應(yīng)力最大，部分數(shù)值接近甚至已超過材料的抗拉強度。