大厚度NiCrFe-7熔化焊焊缝微裂纹_吴栋.pdf

大厚度 NiCrFe-7 熔化焊焊缝微裂纹吴栋1，董文超1，鲁艳红2，侯冬冬2，张茂龙2，陆善平1(1.中国科学院金属研究所沈阳材料科学研究中心,沈阳110016；2.上海电气核电装备有限公司,上海201306)摘要：通过金相显微镜、扫描显微镜和电子背散射衍射方法对一种大厚度 NiCrFe-7 熔化焊焊缝中的微裂纹进行了表征和机制分析，焊接方法分别为焊条电弧焊(SMAW)和钨极氩弧焊(GTAW).结果表明，该种热裂纹为沿晶的再热裂纹，其形成是由于焊接热影响区在高温下发生应力松弛现象，导致晶界大尺寸 MC 型碳化物和氧化物处出现应力集中，造成裂纹沿这些颗粒内部或界面开裂.相比于 GTAW 工艺，SMAW 工艺的焊缝中存在大量氧化物，造成 SMAW 焊缝再热裂纹倾向高于 GTAW 焊缝，进而导致前者焊缝弯曲性能不符合国家标准要求.通过此研究，建议采用保护气效果更佳的 GTAW 工艺.创新点：(1)论文分析对象为厚度 200 mm 的压水堆支撑块 NiFeCr-7 堆焊金属，具有较强的应用价值.(2)发现氧化物和碳化物是引起大厚度 NiCrFe-7 熔化焊焊缝中微裂纹的重要原因.(3)通过工艺改进显著降低了微裂纹敏感性，并改善了焊缝抗弯性能.关键词：镍基焊缝；熔化焊；沿晶裂纹；微观组织中图分类号：TG401文献标识码：Adoi：10.12073/j.hjxb.202207220010序言压水堆压力容器中存在大量焊接工作，其中径向支撑块与过渡段之间为 NC30Fe 镍基高温合金与 16MND5 锻件的异质焊接1.支撑块焊缝厚度较大，可达到 200 mm 以上，焊接通常采用焊条电弧焊或钨极氩弧焊等焊接方法，填充材料则一般选用与高温合金侧同质的镍基焊材 E(ER)NiCrFe-7 系列焊材1.研究表明，NiCrFe-7 熔化焊焊缝具有一定的点状缺陷和裂纹敏感性，即使严格控制焊接工艺时，这些缺陷也难以完全避免2-3.众所周知，裂纹在焊缝中的危害相当大，可能导致焊接接头过早失效，存在巨大的安全隐患，因此绝大多数焊接探伤规范均对裂纹提出了苛刻的评判指标.为了降低 NiCrFe-7 系列焊缝的裂纹敏感性，通常从焊接材料和工艺两方面进行焊接质量的改进和控制.研究表明，NiCrFe-7 系列焊缝裂纹常见为一种失塑裂纹3-4，其机制基于镍基高温合金的中温失塑现象：在 500 900 左右 Ni 基合金倾向于发生沿晶断裂，表现出低塑行为5-6，这同时也是多数奥氏体合金面临的中温脆性问题.为了改善失塑裂纹，国外在 NiCrFe-7 基础上添加 Nb 元素、Mo 元素，开发 NiCrFe-13 焊材，然而研究表明 NiCrFe-13 焊缝的液化裂纹倾向较高7，而且国内目前对于该焊材的现场数据还较少，因此还未被广泛应用.虽然镍基合金的中温失塑现象被广泛研究，但影响其中温失塑程度的因素却存在多种观点，研究表明合金中的杂质8、晶界 M23C6型碳化物9、晶界弯曲度10-11等都可能是影响失塑现象的关键，而这些与焊缝成分、焊接工艺均密切有关.另一方面，焊接应力水平也是引发裂纹的必要因素之一，特别对于多层多道的大厚度镍基焊缝，其裂纹的形成因素则更加复杂.因此，要研究 NiCrFe-7 焊缝中的裂纹问题，应针对具体的焊缝特点来展开研究.文中针对某次在压水堆径向支撑件工艺评定中发现的焊缝裂纹问题展开了详细的表征和分析，通过渗透探伤，金相显微镜(OM)，扫描电子显微镜(SEM)、电子背散射(EBSD)对镍基焊缝的裂纹形成机制进行了研究.收稿日期：20220722基金项目：国家重点研发计划资助项目(2018YFA0702902)第44卷第6期2 0 2 3 年 6 月焊 接 学 报TRANSACTIONS OF THE CHINA WELDING INSTITUTIONVol.44(6):15 19June 20231试验方法焊缝两侧母材分别为低合金钢 16MND5 和镍基高温合金 NC30Fe，焊材为 NiCrFe-7.焊缝厚度为 200 mm，接头形式为双面坡口对接接头.16MND5 侧熔敷隔离层厚度大于 7 mm.焊接方法采用焊条电弧焊(SMAW)和钨极氩弧焊(GTAW)两种.焊后热处理制度为 600 保温 24 h.通过CuCl2+HCl+H2O 溶液对磨抛的试样进行刻蚀，用于观察焊缝的低倍和微观组织.用于 EBSD 观察的试样在磨抛后进行离子刻蚀，以消除试样表面的残余应力.通过焊缝侧向弯曲试验来评价焊缝的抗裂性能，侧弯试样厚度为 8 mm，弯曲角度为 180.弯曲后通过着色渗透探伤来观察受拉面的破坏情况.2试验结果2.1弯曲试验SMAW 焊缝弯曲后不符合标准要求，焊缝面出现了明显的宏观裂纹.为了提高裂纹显现程度，对焊缝侧弯后的试样表面进行了着色渗透探伤.结果显示 SMAW 焊缝受拉面上显示较多缺陷.GTAW焊缝弯曲后表面没有观察到缺陷，同时后者弯曲结果符合GB/T 26532008标准要求.2.2焊缝裂纹由于弯曲后缺陷附近的微观组织已发生严重形变，难以分析缺陷形成根源.对试样弯曲过程进行简单的受力分析可知，随着距受拉表面的深度增加，所受拉应力逐渐减小，直至中间深度(4 mm)的拉应力为 0 MPa，因此切取距受拉表面下方 2 mm内层，该处拉应力相对于表层较小，微观组织变形较小，可对其进行观察，未发现 GTAW 焊缝有裂纹存在(图 1)，但发现 SMAW 焊缝弯曲后存在若干裂纹(图 2a 中白色箭头所指)，通过扫描电镜表征，这些裂纹均为沿晶裂纹(图 2b)，在拉应力作用下，这些裂纹沿晶界的长度可达几十至几百微米.经过详细的金相照片统计发现，SMAW 的沿晶裂纹均分布在后层焊道对前层焊道所产生的热影响区(HAZ)内，且大部分位于两相邻焊道重叠 HAZ 处(图 2a)，这一规律表明焊接热循环很可能是裂纹形成的诱因之一.2.3焊缝组织对未经弯曲变形的 SMAW 焊缝原始组织进行观察，裂纹数量明显较弯曲后的焊缝少，但仍能发现类似于弯曲试样内的裂纹，如图 3a，3b 所示，该裂纹也是分布在 HAZ 内，但其尺寸明显小于弯曲后焊缝内的裂纹(图 1b)，而且长度方向还保留着不连续的特征(图 3b)，这表明弯曲试样内的裂纹并非在弯曲过程中萌生，而是本身存在于焊缝中，这些微裂纹在弯曲过程中进一步扩展，导致长度和开口宽度均显著增加，进而促进了弯曲试样的开裂.而且微裂纹更具有空洞的形貌特征.从图 1b 也可发 200 m 图1GTAW 焊缝侧弯后试样金相组织Fig.1The microstructure of GTAW sample after thebendingtest 2 mm裂纹100 m晶界晶界裂纹(a)焊缝内部低倍组织(b)沿晶裂纹 图2SMAW 焊缝侧弯后试样缺陷形貌Fig.2MorphologyofthedefectsintheSMAWsampleafterthebendingtest.(a)macrostructureoftheweldmetal;(b)micro-crackatthegrainboundary16焊 接 学 报第44卷现，裂纹面并无液膜组织，表明该种裂纹并非奥氏体合金 HAZ 中常见的液化裂纹，而是一种固相裂纹.图 3c 和图 3d 分别为图 3b 中白色框范围的KAM 图和局部取向差分布情况 KAM 图，可见在微裂纹附近出现了较明显的晶格畸变，对应于较大的应力集中现象.500 m10 m50 m(a)微裂纹定位(b)裂纹金相形貌(c)裂纹 KAM 图(d)局部取向差50403020归一化分数/%100012局部取向差/()340.30.20.101234 图3弯曲前 SMAW 焊缝中微裂纹分析Fig.3Analysisofthemicro-crackintheSMAWweldmetalbeforebendingtest.(a)locationofthemicro-crack;(b)magnificationof(a);(c)KAMofthemicro-crackshowedinFig.3a,Fig.3b;(d)thelocalorientationof(c)对裂纹进行能谱分析(图 4)，发现裂纹附近存在析出相颗粒，这些颗粒富集 Nb 元素和 Mo 元素，或者富集 Al 元素、Mn 元素、Ti 元素和 O 元素.文献 3-4 表明，NiCrFe-7 焊缝中的这种富 Nb、Mo 相为焊接凝固末期形成的一次 MC 型碳化物，这种富Al、Mn、Ti 和 O 的析出相(图 4)则为球状氧化物.在高温合金焊缝金属凝固过程中，焊缝中的氧与活泼元素(如 Al 元素、Mn 元素、Ti 元素等)结合，形成氧化物夹杂，在焊接凝固末期，枝晶间的残余液相中富集大量 Nb 元素、Mo 元素、Ti 元素、C 元素等易偏析元素，Nb 元素、Mo 元素与 C 元素的结合能力较强、因此易形成 MC 型一次碳化物，此外，提前形成的氧化物还可为这些碳化物提供非均匀形核位置促进其形成.另一方面，焊缝凝固晶界在高温固相冷却过程中会在发生迁移以减小界面能，迁移时会被碳化物和氧化物钉轧，从而使晶界上出现颗粒物和氧化物，如图 4 所示.2.4裂纹形成机理分析基于表征结果，研究中发现的裂纹具备如下特征：沿晶开裂；倾向于分布在受到多次热循环的 HAZ 内；固相裂纹；附近存在第二相颗粒(MC 碳化物和氧化物)和应力集中现象.焊缝裂纹的形成通常可以从组织应力温度 3 个方面分析，裂纹AlOTiMnMoSiNbNiCrFe1 m 图4裂纹处氧化物及富 Nb、Mo 碳化物的元素分布Fig.4Element distribution of the oxides and carbideslocatedinthemicro-crack第6期吴栋，等：大厚度 NiCrFe-7 熔化焊焊缝微裂纹17该镍基焊缝中的裂纹处于 HAZ 的晶界，附近有大块(微米级)一次 MC 碳化物和氧化物(图 4)，裂纹沿碳化物内部或者沿相界面断裂，相周围具有严重的晶格畸变(图 3c)，因此推测裂纹可能是由于晶界第二相(如 MC、氧化物)周围的应力集中使第二相或者第二相/晶粒界面产生开裂.应力和温度可为裂纹形成提供便利条件，焊接热影响区温度高，且温度梯度较大，因此经热循环作用后，该区域会存在局部的应力集中，同时由于温度较高，可能发生应力松弛现象，并且在多道次的高温热循环反复作用下更易产生应力松弛.高温下奥氏体晶界较薄弱，易产生晶界滑移来配合应力松弛变形12，晶界处碳化物或者氧化物等颗粒对晶界的滑移产生阻碍作用，引起应力集中，从而在其周围形成裂纹，或者直接造成碳化物开裂，这一现象一般称为再热裂纹.再热裂纹和 DDC 裂纹较为相似，裂纹性质都为固态下产生的裂纹，本质上都是材料的晶界低塑性所致，但 MC 型碳化物通常对 DDC 裂纹具有抑制作用.2.5焊接工艺对裂纹的影响GTAW 工艺下，焊缝弯曲性能合格，且弯曲后的微观组织内并未发现明显的裂纹，表明 GTAW焊缝的抗裂性能优于 SMAW 焊缝.将 SMAW 和GTAW 焊缝精细抛光后进行金相观察，分别如图 5a和 5b 所示，由于未进行刻蚀处理，可以显著地观察到 SMAW 焊 缝 内 存 在 较 多 氧 化 物 夹 杂，而GTAW 焊缝内的夹杂物则很少.使用氮氧氢分析仪对焊缝进行检测，结果见表 1，SMAW 中的氧含量明显高于 GTAW，这与图 5 中显示的两种焊缝的夹杂物的数量差别相一致.这一结果进一步验证了氧化物是促进本研究中的 NiCrFe-7 焊缝沿晶裂纹的重要原因之一.GTAW 焊接通过焊枪喷出的纯氩笼罩在熔池表面，起到防止熔池氧化的作用；SMAW 焊接时通过焊条外层的药皮覆盖在熔池表面，防止熔池氧化，由于药皮成分中含有氧化物，因此可能造成焊缝中的氧化物夹杂偏多.可见通过SMAW 焊接工艺进行 Ni 基合金的焊接时，需关注氧化物引入的问题，应尽量采用实施熔池保护措施，避免焊缝内产生过多的氧化物.表1焊缝金属内的 O 元素、N 元素、H 元素含量(质量分数，%)Table