在核电工业中镍基合金焊材的应用

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热裂纹羊ＩＪ冷裂纹的差异，图２是ＩＮＣＯＮＥＬ。５２熔敷金属的显微照片，照片放大了１００倍照片中可以看出晶问失延裂纹（ＤＤＣ），这种裂纹有时也被称作为“冷裂纹”。

瞽ｌ町调拘束裂纹试验结果，在ＩＮＣＯＮＥＬ９５２焊接金属巾ｍ现的热裂纹（可调拘束裂纹试验丰要榆测材料抵抗凝固裂纹或“热”裂纹的能力）图２ＩＮＣＯＮＥＬ＠５２焊缝畚属失延裂纹（放大１００倍），采用５％（质量分数）

铬酸电化学腐蚀

在９０年代中期，一个美国海军科研小组在用ｗｎ３０％的焊丝进行焊接时，发现了一种不同寻常的幽态开裂现象。这种裂纹看上去像是一种凝固裂纹，但经过仔细研究发现，这种裂纹并个产辛在液相凝崮区，囡此与液稆或热裂纹并没有关系。随着研究的深入，发现了越来越多的这种类型裂纹的案例，偶尔会在裂纹尖端发现细小的再结晶晶粒，看卜去好像促使裂纹产牛的能量在再结晶过程中被吸收掉Ｔ一样。因为这种裂纹小是存液相凝固过程中产生的，因此暂时把这类裂纹称作”冷裂纹”，以便与“热裂纹”相区分。实际ｆ：，把这种裂纹称作“冷裂纹”是不恰当的，因为这种裂纹最容易产生的实际温度范围高达７６０～１０３８℃（／４００～１９００＊Ｆ）。

在进入９０年代后出现，更多这类ＤＤＣ的实例，并且伴随着这类裂纹出现的足发生在管板焊接交界处焊根裂纹倾向，同时也经常会观察到由于存在氧化物或氮化物而形成的夹渣。

ＤＤＣ有时也被称为“再热裂纹”，因为这种裂纹常常发生在焊接下一道焊道时，并山现在上一焊道的热影响区。为此，ＳＭＣ超合金集团制定ｒ一个雄心勃勃的研究计划，开始丁征服ＤＤＣ的征途。

３ＳＭＣ公司的研究计划目标

１）研究考察“冷裂纹”的产生机理，这种裂纹有时也被称作“失延裂纹（ＤＤＣ）”。

２）建立一套实验体系，保证能可靠的再现这类ＤＤＣ，同时要建立一套检测ＤＤＣ的方法。

３）提出一套防止这类ＤＤＣ产生的方寰，并研制一系列可靠的，并适合于核电生产环境的焊接产品。

４）继续保持良好的抵抗热裂纹的能力。

能源工程焊接国际论坛ＩＦＷＴ２００５５）提高抵抗焊根裂纹的能力。

减少铝和钛的成分，以减少氧化物和氮化物“央渣”的产牛，这种夹渣容易形成灾杂物并造成气孔（见图３）。

陶３用自动焊接方法使用ＩＮＣＯＮＥｐ５２填充金属

在ＩＮＣＯＮＥＬ。６９０合金上进行焊接时所产生的“氧化性浮渣”

在经历了一段时间的试验和研究以后，ＳＭＣ的科研工作者们提出了一种新的理论：即?些晶粒边界的高温延性比晶粒内部更低。当冷裂纹敏感性较高的合金承受高温应变．例如人拘束多道焊接时，在某些部位就可能出现超出材料屈服强度和晶界延性的临界值，从而产牛裂纹。在裂纹开ＬＪ处应力Ｆ降，裂纹口ｒ能停止扩展，与此同时，能量的释放可能会在裂纹尖端诱发再结晶。

进?步的研究和持续姚察通过外延力‘式长大的长晶界，并且利用，其他研究机构所得到的研究成果，初步认定“冷裂纹”的产生与氧、碳和硫７亡素的作用肯关。在Ｆ一步的量化研究中义确认这些元素能够降低晶界廷｜生，因此ＳＭＣ的研究人员决定在材料中添加少量晶界脱氧剂、强化剂及脱硫剂来阻止有害元素向晶界聚集。在实旆以上设想的过程中，所添加元素的种类、数量以及添加这些元素后所产牛的综合影响的评定是十分复杂的。这里如何使添加元素的数量“恰到好处”是最困难的，特别是敏感程度非常高的元素如硼和锆，如果处置不当反而会造成严重的负面影响。

总的来说，为了使合金的性质得到最大优化，需要控制的元素有以下几种：铝、钛、硅、铌、锰、硼和锆。

最后．ＳＭＣ公司开发和推出了‘种新合成的焊材－－ＩＮＣＯＮＥＬ。ＦＭ５２Ｍ（ＥＲＮｉＣｒＦｅ－－７Ａ），其成分和性质有以下特征：

】）在加入了适量的脱氧荆后，材料中ＷＡＩ可以控制到０．０１％左有。

２）在加入了适量的氨吲定剂后，Ｍｉ的有效成分可高达０４％左右。

３）ＷＳｊ应当控制在０．０５％～０４０％之间，具体是多少取决于未来将采用哪一种焊接工艺。

４）当所有柏关因素处于一个平衡状态，且”№住Ｏ．５％～Ｏ．８％之间时，已足以控制焊接

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热裂纹的产生。

５）当材料同时含有钱和硅，且ＷＭ。在Ｏ５％～Ｏ．８％之间时，已足以将硫控制在一个合理的水平。

６）当所有相关元素都处在一个合适的范围内，晶界元素硼利锆即可以控制ＤＤＣ（或“冷裂纹”）的产生。我ＨＪ存实验中发现，残留的ｗＢ在００００５％～０．００４％之间、Ｗ７Ｊ在０００４％～Ｏ，０１５％之间就可产生明显的效果。

７）总的来看，在进行上述控制的同时“焊根开裂趋势”有了极大的缓解。

８）当所有元素处于恰当平衡之际，即使降低锚和钛元索的含量也小会带来负面影响。控制铝和钛的含量的一个直接结果足大大减少了“浮渣”产生的可能性。

９）控制铝和钛的含量并减少“浮渣”的同刚，也使部分氧化物和氯化物分解，前极大地减少了焊缝夹杂物所产生的气孔等缺陷。

４对新焊材ＩＮＣＯＮＥＬ＠５２Ｍ性能的评估

为了正确的评估新材料的性能，ＳＭＣ和ＥＭＩ公刊的研究工作者设计了可以进行ｊ；同测试用的管板焊道的实体模型（见图４），具体如下：

样品的…个表面带有ＩＮＣＯＮＥＰ６９０的堆焊层，在带堆焊层的表面钻若干个孔，这些孔的边缘可以摸拟管板焊接自我拘束度的条件，然后在孔的边缘进行３６０。全位置环缝ＴＩＧ焊。在所有焊接都完成后，沿孔的中心线把焊接模型（或称为焊接试样）切成两块，并对所有表面进行打磨及腐蚀测试，然后对腐蚀后的表面用金相照片或直接采用高倍显微镜进行观察和分析。

测试的结果表明：ＬＮＣＯＮＥＬ。５２Ｍ形成的焊缝和ＩＮＣＯＮＥＬｏ５２相比，具有优异的抵抗“冷裂纹”（ＤＤＣ）、热裂纹和焊根裂纹的能力。，｛外，ＩＮＣＯＮＥＬ０５２Ｍ填充金属能大大减少浮渣，从而减少夹杂物及产生气孔等缺陷。

图４采用ＩＮＣＯＮＥｐ６９０制作堆焊层，

采用ＩＮＣＯＮＥＬ０５２Ｍ制作管板环缝（ＴＩＧ焊）的焊接测试模型

能源工程焊接国际论坛ＩＦＷＴ２００５５ＷＳＩ公司对结构焊接材料所做的堆焊试验以及后来ＥＰＲＩ对这一试验所做的评估

为进步确认ＩＮＣＯＮＥＬ％／Ｖｌ５２Ｍ在核电站现场可能出现的表现，ＷＳ！公＿吉：Ｊ采片ｊ两种材料

（５２和５２Ｍ）模拟了核电压力容器中的结构焊缝。事实上，所有的这些结壮ｊ焊缝都被安装在

５Ｇ（水平）的位置上，并且所有的焊接都使用ＴＩＧ焊及采用“环境温度回火”的焊接方法。这种方法可以在ＡＳＭＥＮ—６３８规范案例中奋到。Ｎ—喝３８规范案例还明确提供，有关的工艺条件和焊接生产应遵循的准则，所有焊接设计应该遵照ＡＳＭＥＮ一５０４＿＿２规范案例叶】的有关规定，即允许利用外部焊缝来消除缺陷的影响。图５所示为ＷＳＩ管道试样浮接过程的常规布置。

图５用ＩＮＣＯＮＥＬ０５２Ｍ填充金属进行结构焊缝焊接的常规布置围

总的来说，ＨｊＥＲＮｉｃｒＦｅ—－７填充材料和ＴＩＧ婵进行结构焊缝堆焊的焊接特性完全可以与其他镍基焊始（例如ＥＲＮｉｃｒ３、ＥＲＮｉＣｒＭｏ－－３等）相媲美。“浮渣”可能漂浮在熔融的熔池表面，但是随着熔池的前进，这些熔渣可以完全消散。需要特别指出的是．用ＥＲＮｉＣｒＦｅ一７镍基焊丝形成的堆焊缝比较容易夹杂氧化物和其他杂质。这种杂质非常容易产生在管道外表面的熔池中，特别是当焊缝处在５Ｇ的位置。在这种应用条件下，杂质可能会出现在整条焊缝的周围，并且更可能出现在焊缝中某些特定的位置。考虑焊枪从管道圆周１２：００点的位置开始，并沿顺时针方向运动，夹杂壤容易产生在从时钟１２：００～４：００点的圆弧范围内，这种夹杂看起来与熔池受重力影响有关。由于重力的影响，熔池所产生的形变，其边缘可能将夹杂物“翻卷”到熔池的表面，一旦这种情况发生，未分解的夹杂物就可能沉积在熔池中。尽管单个夹杂物的体积非常小，然而由于熔池有一种“收集”的作用，会使夹杂物一个接一个地排列起来（所有夹杂物基本分布在同一‘层面上）。

但是采用超声检测很难分辨这一类的掺杂物，当这一类掺杂物存在时，超声检测通常是出现“未熔合”的信号。在测试ＩＮＣＯＮＥＰ５２同时对ＩＮＣＯＮＥＬ。５２Ｍ的测试也在进行中，南于ＩＮＣＯＮＥＬ０５２Ｍ填充金属是不以铝元素和钛元素作为主要脱氧剂，这种冶金特性被认为是减少氧化物，夹杂物的一个合理的结果，而这些氧化物，夹杂物正是导致超声检测时产生“未熔合”信号的主要原因。

ＷＳＩ准备了一个实体试样模型来评定ＩＮＣＯＮＥＬ。５２Ｍ填充金属的焊接性。试样的直径为１２ｉｎ（ｉｎ＝２５．４ｎｕｎ），管道截面的壁厚为０．８４４ｉｎ，试样水平放置在管道支架上．保证管道外环缝焊接时能够处在５Ｇ的位置。此时管道的两端被封住，内部充满流动的冷水，目的是模拟

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在大的热沉条件下进行的焊接。利用ＷＳＩ独有的焊接参数控制方法（目的是要获得合格的ＥＲＮｉｃｒＦｅ一７熔敷金属）进行两道结构焊缝焊接，一道焊缝利用双侧向上的焊接方式；另一道则采用常规环缝焊接的方式。图６所示是存符道试样ｒ接近完成两道焊缝焊接的情形。

６ＩＮＣＯＮＥＬ＠５２Ｍ焊缝非破坏性检测

首先对焊缝进行染色剂表面渗漏检测，看是台１竿在气孔或裂纹。试样的表面被ＷＳＩ的测试人员加工成光滑表面，没有发现任何重要缺陷。接下来，模拟管道在现场所进行的测试，对这两道焊缝进行接触超声检测，这是一种利用多角度超声波束进行自动监测的方法。检测结果表明，这两个试样都没有重要缺陷，只检测到很少数量的多焊层问熔合线的指示信号，但是，卜分重要的是没有检测到未熔合信号。图６所示是管道试件，罔７为ＩＮＣＯＮＥＬ０５２Ｍ（ＥＲＮｉＣｒＦｅ－－７）结构焊缝堆焊层，图８～１１为环形焊道的超声检测信弓图像。另外，烈侧向｝：焊接焊缝也没有检测到明显的缺陷信号。

总之，在５Ｇ的位置施焊，无论是用环形焊接方式还是双侧向上焊接方式，ＩＮＣＯＮＥＬ。５２Ｍ填允材料都能获得低压检测（ＬＰ）和超声检测（ｕＴ）合格的焊缝，并且根据ＡＳＭＥ２１４２—２规范案例的修正本，ＩＮＣＯＮＥＬ。５２Ｍ填充材料还可以应用在原先ＡＳＭＥＦ＿＿４３系列焊接材料应用受到限制的场合。

圈片由电能研究院（ＥＰＰｄ）授权引用

图６管道试样采取环形焊接和双侧向上焊接两种焊接方式

图片由ＷＳＩ授权引州

图７ＩＮＣＯＮＥＬ。５２Ｍ（ＥＲＮｉＣｒＦ卜７）结构焊缝堆焊层

能源工程焊接国际论坛ＩＩＦ＇ＷＸ２００５

罔８ＥＰＲＩ对环形焊接焊缝进行旷超声扣描所得信号图像

罔９ＥＰＲＩ对环形焊接焊缝进行４５。超声扫描所得信号图像

幽１０ＥＰＰ，／列环形焊接焊缝进行６０。超声扫描所得信号图像

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图１ｌＥＰＲＩ对环形焊接焊缝进行７０。超声扫描所得信号罔像

７结论

综上所述，ＩＮＣＯＮＥＬ。５２Ｍ得测试得到了圆满的成功，多年以来困扰人们的“冷裂纹”终丁找到了一个可靠的解决方案．这是一个根据牛产实践中所出现的阿题，进而寻求解决方案的精彩实例。今天ＩＮＣＯＮＥＬ。５２Ｍ（ＥＲＮｉｃｒＦ『＿７Ａ，或称为镍一铬一铁７Ａ）已经被众多国际以及国内的核电制造厂所认识并投入使用，相信在不久的将来对这种核电新材料的应用会更加广泛。

在核电工业中镍基合金焊材的应用

作者：Mr.Sam Kiser

作者单位：SMC国际超合金集团,上海,200040

本文链接：https://www.360docs.net/doc/b21825481.html,/Conference_6168751.aspx

授权使用：武汉理工大学(whlgdx)，授权号：da2f6320-741b-45e2-bb3f-9e2b000d1294

下载时间：2010年11月11日