（材料加工工程专业论文）中国低活化马氏体钢的激光焊接研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 聚变堆用结构材料足聚变能能否实现商业化应用的关键之一。由于 低活化铁素体马氏体钢( r a f m ) 具有较低的辐照肿胀和热膨胀系数、 较高的热导率等优良的热物理性能和力学性能，以及相对较为成熟的技 术基础，因此被普遍认为是未来聚变示范堆和聚变动力堆的首选结构材 料。中国低活化马氏体钢( c l a m ) 是具有中国自主知识产权的、成分 及性能优化的r a f m 钢。c l a m 钢被定为中国设计研究的i t e r 试验包层 模块的首选结构材料。 c l a m 钢焊接技术的解决将为其工程应用奠定基础，激光焊接由于 其具有高质量、高精度、高效率等优点而被广泛应用。本文采用n d ：y a g 激光器对5 m m 和6 m m 的c l a m 钢板采用不同的焊接工艺参数( 输出功率、 焊接速度，离焦量) 进行激光焊接，并对部分试样进行了回火处理。利 用金相显微镜和扫描电镜观察了c l a m 钢焊接接头微观组织、碳化物分 布；利用硬度试验、拉伸试验和冲击试验对焊接接头的力学性能进行了 研究。 通过对不同焊接参数试样的质量对比优化了焊接工艺参数。分析了 不同焊接工艺参数对焊缝和热影响区组织的影响，即焊接线能量越大， 焊缝及热影响区的宽度越大，组织越粗大。通过组织分析可以看到，热 处理前焊缝区主要为晶粒粗大的板条马氏体组织；热影响区为马氏体组 织和少量残余奥氏体。焊接接头回火处理后得到回火马氏体组织，并有 碳化物析出，碳化物形状不规则，呈短棒状，碳化物颗粒主要分布在有 着密集位错线和晶胞壁等微观缺陷的马氏体板条或奥氏体晶界上，晶内 碳化物分布较少。对回火处理前后焊接接头硬度的分析表明，焊件在未 经回火处理的情况下，焊缝的硬度略低于母材，热影响区内硬度呈现先 江苏大学硕士学位论文 升后降的趋势，这主要由于在细晶区形成了均匀而细小的组织，从而使 硬度值升高。回火处理后焊接接头的整体强度降低，焊缝及热影响区的 硬度值均高于母材，热影响区未出现软化现象。热处理后的焊接接头在 室温下的抗拉强度平均达到了6 8 8 m p a ，试样在母材处断裂，焊缝具有良 好的强度；1 2 标准冲击试样最低冲击功达到了8 8 j ，灰色的纤维区占冲击 断口的绝大部分，微观形貌呈明显的韧窝状，焊缝具有良好的韧性。 关键词：低活化钢；c l a m ；激光焊；焊接工艺；微观组织；力学性能 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t f u s i o nr e a c t o rs t r u c t u r a lm a t e r i a li so n eo ft h ek e y sw h e t h e rc o m m e r c i a l a p p l i c a t i o n o f f u s i o n e n e r g y c a nb ea c h i e v e d r e d u c e da c t i v a t i o n f e r r i t i c m a r t e n s i t i cs t e e l s ( r a f m ) a r ec o m m o n l yc o n s i d e r e da st h ep r i m a r y s t r u c t u r a lm a t e r i a l sf o rt h ed e m of u s i o np l a n ta n dt h ef i r s tf u s i o np o w e r r e a c t o r sb e c a u s eo ft h e i re x c e l l e n tt h e r m o p h y s i c a lp r o p e r t i e s ，m e c h a n i c a l p r o p e r t i e sa n d t h e i rr e l a t i v em a t u r et e c h n i c a lf o u n d a t i o n ，f o re x a m p l e ，t h el o w i r r a d i a t i o n s w e l l i n g a n dt h e r m a l e x p a n s i o nc o e f f i c i e n t ，h i g h t h e r m a l c o n d u c t i v i t ye t c c h i n al o wa c t i v a t i o nm a r t e n s i t i cs t e e l ( c l a m ) i st h e r a f mw h i c hh a v ei n d e p e n d e n ti n t e l l e c t u a lp r o p e r t yr i g h t sw i t hc h i n e s ea n d o p t i m i z e dc h e m i c a lc o m p o s i t i o na n dp r o p e r t i e s c l a mi sc o n s i d e r e da st h e p r i m a r ys t r u c t u r a lm a t e r i a l sf o rt h ec h i n ad e s i g n e di t e r t e s tb l a n k e tm o d u l e t h es o l u t i o no fc l a ms t e e lw e l d i n gt e c h n o l o g yw i l ll a yt h ef o u n d a t i o n f o re n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n s t h el a s e rw e l d i n gi sw i d e l yu s e db e c a u s eo fi t s h i g hq u a l i t y ，h i g h p r e c i s i o n ，h i g he f f i c i e n c ye t c i nt h i sp a p e r ，5 m ma n d6 m m o fc l a ms t e e lw e r ew e l d e du s i n gd i f f e r e n tw e l d i n gp a r a m e t e r s ( o u t p u t p o w e r ，w e l d i n gs p e e d ，d e f o c u sa m o u n t ) b yn d ：y a gl a s e r ，a n ds o m e s p e c i m e n sw e r et e m p e r e d m i c r o s t r u c t u r ea n dc a r b i d ed i s t r i b u t i o no fw e l d e d j o i n t sw e r eo b s e r v e db ym e t a l l o s c o p ea n ds e m m e c h a n i c a lp r o p e r t i e sw e r e d e t e c t e dr e s p e c t i v e l yi nh a r d n e s st e s t ，t e n s i l et e s ta n di m p a c tt e s te x p e r i m e n t s w e l d i n gp a r a m e t e r sw e r eo p t i m i z e db yc o m p a r i n gt h eq u a l i t yo ft h e s a m p l e sw i t hd i f f e r e n tw e l d i n gp a r a m e t e r s a n a l y s i n gt h ei n f l u e n c eo f d i f f e r e n tw e l d i n gp r o c e s sp a r a m e t e r so nt h ew e l da n dh e a ta f f e c t e dz o n e ( h a z ) ，t h a tw a s ，t h eg r e a t e rt h ee n e r g yo fw e l d i n gw i r e ，w i d t ho fw e l da n d h a z ；l a r g e ro ft h eo r g a n i z a t i o n s a c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i so fo r g a n i z a t i o n ， w ek n o w e dt h a tt h ew e l da r e ab e f o r eh e a tt r e a t m e n tw a sm a i n l yg r a i n i i i 江苏大学硕士学位论文 c o a r s e n i n gl a t hm a r t e n s i t e ；t h eh a z w a sm a r t e n s i t ea n das m a l la m o u n to f r e s i d u a la u s t e n i t e a f t e rt e m p e r i n gt r e a t m e n t ，w e l d e dj o i n t sa r et e m p e r e d m a r t e n s i t e i r r e g u l a rs h a p e ，s h o r tr o d l i k ec a r b i d e sw e r ep r e c i p i t a t e di ng r a i n b o u n d a r i e so fm a r t e n s i t i co ra u s t e n i t e ，w h i c hw e r em a i n l yd i s t r i b u t e dd e f e c t s ， s u c ha sd e n s ed i s l o c a t i o nl i n e sa n dt h ec e l lw a l l s f e w e ri n t r a g r a n u l a r c a r b i d e sd i s t r i b u t i o n p r ea n dp o s tt e m p e r i n gt r e a t m e n t ，t h ea n a l y s i so f h a r d n e s so ft h ew e l d e dj o i n t ss h o w e d ：b e f o r et e m p e r i n g ，t h eh a r d n e s so ft h e w e l ds l i g h t l yl o w e rt h a nt h eb a s em a t e r i a l ，t h eh a r d n e s so fh a zs h o w e du p f i r s t ，t h e nd e c r e a s e d ，w h i c hm a i n l y d u e dt ot h ef o r m a t i o no fs m a l l m i c r o s t r u c t u r ei n f i n e - g r a i n e dr e g i o n ，s ot h eh a r d n e s si n c r e a s e d ；a f t e r t e m p e r i n g ，t h es t r e n g t ho fj o i n t so v e r a l lr e d u c e d ，t h eh a r d n e s so ft h ew e l da n d h a zw e r eg r e a t e rt h a nt h eb a s em e t a l ，h a zw a s n ti n t e n e r a t e d a f t e r t e m p e r i n g ，t h e t e n s i l e s t r e n g t ho fw e l d e dj o i n t sr e a c h e da na v e r a g eo f 6 8 8 m p aa tr o o mt e m p e r a t u r e ，t h e s p e c i m e n sw e r ef r a c t u r e di nt h e b a s e m a t e r i a l ，t h ej o i n t ss h o w e dg o o ds t r e n g t h ；t h em i n i m u mi m p a c te n e r g yo f1 2 s t a n d a r di m p a c ts p e c i m e n sr e a c h e d8 8 j ，g r a yf i b e rz o n ea c c o u n t e df o rt h ev a s t m a j o r i t yo ft h ei m p a c tf r a c t u r e ，m i c r o m o r p h o l o g yw a sa p p a r e n td i m p l e ，t h e w e l ds h o w e dg o o dt o u g h n e s s k e yw o r d s ：r e d u c e da c t i v a t i o ns t e e l ，c l a m ，l a s e rw e l d i n g ， w e l d i n gp r o c e s s ，m i c r o s t r u c t u r e ，m e c h a n i c a lp r o p e r t y i v 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论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密面。 学位论文作者签名：弗胡塌 d 厂年j 2 月) 弓日 指导教师签名： 秀2 。弋 订年j 2 月鸿日 独创性声明 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 立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论 文不包含任何其他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 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：第均畸 日期： b 歹年7 2 月二弓日 江苏大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论弟一早珀 v 匕 能源足社会经济发展的重要物质基础，是提高人类生活水平的重要条件。能源 短缺及传统能源消耗所带来的污染严重制约了经济的发展和人类生活水平的提高。 因此，寻找一种新的理想的能源成为了世界范围的热点课题。核聚变是一种原料极 为丰富、不受地理位置限制、安全可靠、可大规模应用的清洁能源。它为人类摆脱 能源危机展现了美好的前景，聚变能的开发是人类未来能源的希望所在【 l 。经过5 0 余年的艰难历程，核聚变能被认为是满足人类未来能源需要的潜在技术【4 】这一论断的 科学可行性已得到证实。由中国、美国、日本、欧盟、俄罗斯、印度和韩国7 方参与 的国际大型科技合作项目国际热核聚变实验堆( i n t e r n a t i o n a lt h e r m o n u c l e a r e x p e r i m e m a lr e a c t o r ，i t e r l 计划是实现聚变能商业化必不可少的一步，其目标是验 证和平利用聚变能的科学和技术可行性。 建造和运行核聚变实验堆是确定核聚变能可否有效地被人类用于大规模能源生 产的必要步骤【5 】。几十年来，科学家一直在寻找实现受控热核聚变的方法和装置，其 中最有希望的就是磁场约束高温等离子体的磁约束途径。托卡马克( t o k a m a k ) 是磁 约束途径的代表性实验装置，又称环流器。目前世界上已经先后建造了大约2 0 0 座托 卡马克装置，包括美国的邢、欧洲的j e t 、日本的j t - 6 0 等。中国建造并投入运行 的代表性托卡马克装置有：1 9 8 4 年核工业西南物理研究院建成的中国环流器一号 ( h i _ - 1 ) ，1 9 9 5 年建成的中国环流器新一号( h i _ , - 1 m ) ，2 0 0 2 年建成的中国环流器 2 a ( h l - 2 a ) ；中国科学院等离子体物理研究所1 9 9 5 年建成的超导托卡马克装置h t - 7 以及该所正在建造之中的全超导托卡马克装置e a s t 。 i t e r 目前的包层模块分为两部分：屏蔽包层和实验包层。其中屏蔽包层主要用 于装置的辐射保护，在已完成的i t e r f e a t 设计中有较完善的包层设计和技术研发。 而实验包层模块( t e s tb l a n k e tm o d u l e ，t b m ) ，主要用于对未来商用示范聚变堆 ( d e m o ) 产氚和能量获取技术进行实验，同时用于对设计工具、程序、数据等的 验证和一定程度上对聚变堆材料进行综合测试。实验包层模块被置于中子流强最高、 热流密度最大的i t e r 装置赤道面位置的窗口，来模拟和测试与未来聚变发电堆相关 江苏太学硕士学位论文 的材料和技术。图11 列出了核聚变装置图。 图11 部分核聚变装置及部件 f i 9 1 1 s e v e r a l f u s i o ns e t s a n da r i e s 1 2r a f m 钢国内外研究现状 传送年系统( 5 0 ) 外围： o 气体沾八捌箱艘 辟光放电系统( 8 8 ) o 控止场线料0 0 0 ) o 馈场磁体系统1 1 0 0 o 电源材料( 0 0 ) o 空直漉转换器f 盟) 诊断系统( 3 ) 核聚变技术能否实现，除了设计制造问题外，更主要的还是解决材料的问题， 核聚变装置材料的研究也是目前世界上许多国家聚变研究的一个主要领域。核聚变 反应堆中对所使用的结构材料的要求非常苛刻，除了必须具有较高的力学性能以外 还需具有耐高温、抗辐照、耐腐蚀等性能。目前工业上应用的材料尚没有一种材料 能达到聚变反应堆的要求。因此要想发展核聚变反应堆，必须首先研制出能满足聚 变堆装置要求的材料。过去的几十年中，世界各国在此领域已经进行了大量研究。 由于奥氏体钢、镍基合金、铝合金等各自在热物理性能、h e 产生率及相不稳定性， 辐照f 的d b i 阿效应等问题，不可能满足聚变反应堆的使用要求。为了降低聚变堆事 故的风险和减少高放射性废物的数量1 1 0 1 ，当今世界各国聚变设计中正在研究发展及 计划使用低活化结构材料，主要包括低活化铁素体马氏体钢( r e d u c e da c t i v a t i o n f c r r i f i c m a r t e n s i f i c s t 雠l s 。r a f m 钢) 、钒基合金及s i c s i c 复合材料【l l 】。它们的基本物 理特性参数范围列于袁11 。 江苏大学硕士学位论文 表1 1 聚变堆结构结构物理特性及力学性能参数 t a b l e1 1 p h y s i c a la n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fs t r u c t u r a lm a t e r i a l sf o r f u s i o nr e a c t o r s 由于低活化铁素体马氏体( r a f m ) 钢具有比奥氏体不锈钢更好的热传导率和 抗辐照肿胀等性能，被认为是最有希望用于聚变反应堆的第一壁包层结构材料【1 2 1 。 在研究铁素体马氏体钢的开始阶段，主要集中在研究改进型的f e c r - m o 钢等。后来 考虑到中子辐照诱发的长寿命放射性核素的存在( j z h m o ，n b ，n i ) ，又采用w 、t a 、 v 代替其中的合金元素m o 、n b 、n i 等来达到低活化的效果。这里要指出的是，所谓 低活化材料，其含义是经过若干年辐照后其放射性主要来自于短寿命或者中等寿命 放射性元素。这样，合金材料放置3 0 0 年后其放射性水平将能够满足手工处置条件【1 3 1 。 由于低活化铁素体马氏体钢具有非常好的低活化性能，同时具有优良的物理性能、 力学性能，因此被普遍认为是未来聚变示范堆和聚变动力堆的首选结构材料【1 5 1 。 另外，传统铁素体马氏体钢( 如t 9 1 p 9 1 ) 在裂变堆中的使用情况也为r a f m 钢的研 究与发展打下了基础【1 6 - 2 4 1 。国际上研制出的低活化铁素体马氏体钢中，具有代表性 的有欧洲正在研究的e u r o f e r 9 7 ；日本研制的f 8 2 h 钢、j l f 系列；美国研究的 9 c r - 2 m 钢等。2 0 0 1 年，中科院等离子所同国内外多家单位合作，发展出具有中 3 江苏大学硕士学位论文 国自主知识产权、成分及性能优异的r a f m 钢一中国低活化马氏体钢( c l a m ，c h i n a l o w a c t i v a t i o nm a r t e n s i t i c ) 。几种典型r a f m 钢的成分质量分数见表1 2 ，热处理工艺 和组织特点见表1 3 。 表1 2 几种典型r a f m 钢成分质量分数( ) t a b l e1 2 p h y s i c a la n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f s t r u c t u r a lm a t e r i a l sf o r f u s i o nr e a 咖r s 4 江苏大学硕士学位论文 表1 3 几种r a f m 钢热处理工艺和组织特点 t a b l e1 3 p h y s i c a la n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fs t r u c t u r a lm a t e r i a l sf o rf u s i o nr e a c t o r s 1 3m 钮m 钢的焊接研究 焊接是现代金属加工中最重要的方法之一，焊接广泛应用于机械制造、石油化 工、航空航天、能源、交通、通信、海洋、建筑等行业中。焊接是通过加热或者加 压，或两者并用，用或不用填充材料，使被焊工件的材质达到原子问结合而形成永 久性连接的工艺过程【2 5 1 。根据焊接工艺特点，传统上将焊接方法分为三大类，即熔 化焊、固态焊和钎焊。熔化焊焊接接头的形成过程与温度随时间的变化密切相关， 一般要经历加热、熔化、冶金反应、凝固结晶、固态相变等过程，直至形成焊接接 头。 焊接是核聚变堆工程制造中不可缺少的重要技术，焊接技术和工艺是r a f m 钢走 向工程应用的关键技术之一。低活化铁素体马氏体钢含有较多的合金元素，使用状 态是淬火( 或正火) + 高温回火，本身含有大量马氏体，焊接性能不好。焊接接头 各区域的性能、组织和化学成分也会存在着较大差异，焊接接头容易出现焊缝区硬 化、时效倾向、热影响区( 地忆) 软化现象，以及冷裂纹、型裂纹等焊接缺陷， 同时焊接还会对r a f m 钢的腐蚀性能产生较大的影响【2 6 1 。另外，焊接接头受辐照后 可能还会出现辐照脆化、气泡、肿胀等现象【2 7 - 2 9 。因此，普通焊接方法不能应用在 r a f m 钢的焊接中。目前国际上主要采用的焊接方法为钨极氩弧焊、电子束焊及激光 焊等。 由于f 8 2 h 、j l f 1 、e u r o f e r 9 7 、9 c r - 2 w v t a 等r a f m 钢研究较早，相应的焊 接研究工作也得到了较好的开展，国际上的焊接研究主要集中在材料的工艺性、焊 5 江苏大学硕士学位论文 接接头的微观组织、力学性能以及辐照前后的组织和力学性能的变化等方面，如焊 接接头的微观结构【刈、辐照前后焊接接头性能的对比【3 1 1 、室温下的断裂韧性【3 2 】等， 所用焊接方法包括钨极惰性气体保护焊( t i g ，t u n g s t e ni n s e tg a s a r cw e l d i n g ) 、热 等静压扩散焊( h i p ，h o tl s o s t a t i cp r e s s i n gw e l d ) 、电子束焊( e b ，e l e c t r o nb e a m w e l d i n g ) 、激光焊( l b w ，l a s e rb e a mw e l d i n g ) 、复合焊等。国内m 心m 钢且 j c l a m 钢的焊接研究也取得了一定的进展。 1 3 1f 8 2 h 钢及其焊接 f 8 2 h 钢是国际能源机构( i e a ) 聚变材料计划研究的试验材料，是在日本原子 能研究院( j a e r i ) 和n k k 合作下发展起来的。其化学成分如表1 2 所示。f 8 2 h 钢的 焊接方法主要采用了电子束焊( e b ) 、t i g 焊和h i p 焊1 3 3 。3 7 】。 日本原子能研究所的t s a w a i ，ks h i b a ，a h i s h i n u m a 等人对f 8 2 h 钢的t i g 和e b 两种焊接接头的力学性能和微观组织进行了研究，在t i g 焊接接头中出现了焊缝硬化 和热影响区软化的现象，e b 焊接接头中，焊缝硬化更加明显，但热影响区几乎不存 在软化现象。焊接接头的横截面及它们的硬度如图1 2 所示。 t h i r o s e ，k s h i b a 等人研究了f 8 2 h 的热循环过程对热等静压焊的影响，以及合 金元素t a 对晶粒的影响，得出了以下结论：1 ) 常规的f 8 2 h 钢在进行了h i p 焊接后， 出现晶粒粗大的现象，而增j j n t a 含量的f 8 2 h 钢在进行h i p 焊接后获得了良好的晶粒 度。2 ) 传统上的正火处理温度1 0 6 0 并不能匀化f 8 2 h 晶粒，匀化f 8 2 h 晶粒的正火 温度必须在1 1 0 0 。c 以上。3 ) 要获得细小的晶粒组织和优良的焊接接头性能，推荐以 下工艺过程：1 1 0 0 温度以上进行h i p 焊接+ 1 0 0 0 。c 温度以下正火处理+ 回火。 法国原子能委员会的a a l a m o ，a c a s t a i n g 等人研究了热疲劳( t h e r m a la g i n g ) 对f 8 2 h 钢t i g 和e b 两种焊接接头的力学性能的影响，其中t i g 焊接接头进行了 7 2 0 1 h 的焊后热处理，e b 焊接接头没有进行焊后热处理。两种焊接接头分别经过 4 0 0 和5 5 0 ，1 0 0 0 0 d x 时的热疲劳试验后，进行了拉伸实验和冲击实验。结果显示， t i g 焊接接头的力学性能在疲劳实验中同母材十分相似，但它的冲击功只有母材的 6 0 。电子束焊焊接接头测得的实验数值非常分散，特别是冲击实验数值。t i g 焊接 接头的冲击试验结果如图1 3 所示。 6 江苏大学硕士学位论丈 a ，_ ”。f i1 一一”。陌厂一，一一 剿，、。、产镬s o k 冬。i f i 9 1 2c r o 啪d i o 地o f t i g ( 曲a n d 印w e l d d f 8 2 h p l a t e sa n dh a m n e s s d i s t r i b u t i o n s o l l t i g w e l d j o i m ( c ) 皿d e b w e l d 】o i n t ( d ) h a r 血c s s d a m 圈13 热疲劳试验后1 1 g 焊接接头同母材的冲击试验结果比较 f i g1 3 i m p a c t p r o p e n l e s o f t i g w e l d t h e r m a l a g e d f o r l 00 0 0 ha t4 0 0 。ca n d 5 5 0 。cc p a r e d 幻t h ea s - 一i v o dc o n d i f i 衄e d t h e 口s - w c c i v e d f 8 2 h b m 江苏走学硕士学位论文 1 3 2e u r o f e r - 9 钢及其焊接 欧洲研究者在含有m o 的马氏体钢的基础上用w 代替m o 并改变某些成分制成了 e u r o f e r 一9 7 ，目前已经推出了工业规模制备的样品。丸c a r d c l l a ，e r i g a l ，l b e d e l 等人将e u r o f e r 9 7 应用于 i b m 模块，进行了焊接工艺等多方面的研究，取得了一 定的研究成果。 uc a r d e l l a ，e ，m g a l ，lb e d c l 等人主要采用t h i p 、 r i g 和l b w 的 焊接方法，对接头的机械性能、微观组织、硬度进行了测试呻】。h i p 焊接接头经过 7 5 0 ( 3 2 h 的焊后回火处理后，接头室温下的抗拉强度达到了母材水平，室温下的冲击 功达到了母材8 0 的水平。对e u r o f e r ，9 7 的t i g 、e b 和激光焊的研究发现， e u k o f e r - 9 7 茏裂纹敏感性，具有较好的焊接性，在这些悍接方法下进行焊接都不 需要焊前预热。t 1 g 焊接接头的焊缝内盒相组织丰要是马氏体组织，在板条界面处分 布着非常细微的碳化物。有关e u r o f e r 9 7 焊接的t i g 焊和激光焊的宏观结构罔和金 相组织图如图1 4 所示。 ( a ) r i g 接头的宏观 ( b ) 激光焊接头剖面团 幽1 4e u r o f e r - 9 7 焊缝图片 f 培1 4w e l d i n gs e a m o f e u r o f e r - 9 7 1 0 3c l a m 钢及其焊接 c l a m 铡是中国自主设计开发的用于聚变堆的低活化铁素体，马氏体钢，目前正 处于研究测试阶段。现在已经发展到几百公斤，妒崾的冶炼水平。性能与国外已经发 展多年的r a f m 钢的性能相当。 由于c l a m 钢的研究起步较晚很多数据测定和研究还没有开展，目前主要进 行了成分优化设计、冶炼加工制备工艺、物理性能、机械性能、辐照性能及与液态 i j p b 的相容性等测试与研究，关于焊接性能的研究很少。目前可见报道的主要有中 8 江苏大学硕士学位论文 科院等离子所李春京，黄群英，吴宜灿等人做了热等静压扩散焊方面的初步研究p 9 】， 北京科技大学材料学院的乔建生、赵飞等做的t i g 焊的研究l 删。 北京科技大学的乔建生等人做的c a l m 钢的n g 焊接试验采用的是1 2 m m 厚的板 材，焊缝开y 型和双y 型坡口处理。焊缝的宏观图片如图15 所示。研究发现，采用t i g 焊后，c l a m 钢无明显的缩孔与裂纹，热影响区较大。在热处理之前，焊缝经过热 影响区到母材区，硬度由高到低再略微升高的对称分布规律。热处理后焊缝硬度在 3 4 0 h v 左右，热影响区和母材硬度大体相同，焊缝硬度如图1 6 所示。结果表明，c l a m 钢可以采用t i g 焊接。对c l a m 钢的h i p 焊接试验发现焊接接头性能，特别是冲击性 能比较差。 5 4 ；4 0 0 萋3 毒3 2 5 0 囝囵 ( a ) y 型坡口( 吣般y 型坡口 图15c l a m 钢t i g 焊接宏观圉 f i 9 1 5t i g w d d i n g o f c l m 州f ；g l lm m 囊1 5 。 ：“j ； 5 “；j 亩 广 育言一0 r ，m 4 ( a ) 未经热处理的硬度分布( b ) 热处理后硬度分布 例16 硬度分布 f i g1 6h a t d a 嚣s d i s t r i b u t i o n 为了适应中国聚变堆包层制造的发展要求，赶上国际聚变堆研究形势发展的步 伐，适应即将建造的琶r 实验包层模块脚和未来动力示范堆发展的需要，非常 江苏大学硕士学位论文 有必要尽快展开c l a m 钢各种焊接技术的研究。激光焊是近年来越来越受到重视的 一种新兴的焊接方法，其高精度，大深宽比，良好的捍缝成型特点使得其在焊接领 域越来越受到重视。目前，尚未见c l a m 钢激光焊相关的研究报道。本文选用激光 焊展开对c l a m 钢熔焊方面的研究，通过研究其激光焊接工艺，焊缝组织性能，为 c l a m 钢及聚变堆的后续研究和发展提供技术支持和可靠数据。 1 4 激光焊接原理及应用 激光加工被誉为“二十一世纪的万能加工工具”、“未来制造系统的共吲加工手 段”，激光加工的出现为传统制造业注入了新的生机和括力p ”。激光可以加工多种 金属、非金属，特别是可以加工高硬度、高脆性、超薄极软及高路点等难加工材料。 激光按产生形式主要有气体激光和固体激光两类。气体激光包括c 0 2 激光，h c 、 n e 激光等，固体激光包括n d ：y a g 激光、碟片激光、光纤激光等。根据波长的不同， 各类激光的使用领域备不相同，其中固体激光多用于焊接领域。例如车身的拼焊板 技术，齿轮的焊接等。其优点是减少加工工序，节省材料，外表美观，加工精度高， 大深宽比等等。图1 7 是灯泵浦激光器的原理图。 叵 雾 曲 图17n d ：y a g 原理图 17t h e p r i n c i p l e o f n d ：y a g l a r 激光焊接有两种基本方式：传导焊与深熔( 小孔) 焊1 4 6 1 。这两种方式的原理如图 1 , 8 所示，传导焊与深熔( 小孔) 焊最根本的区别在于：前者熔池表面保持封闭，而后 者熔池则被激光束穿透成孔。传导焊对系统的扰动较小，因为激光束的辐射投有穿 透被焊材料，所以，在传导焊过程中焊缝不易被气体侵入；而深熔焊时，小孔的不 江苏大学硕士学位论文 断关闭能导致气孔。传导焊和深熔焊方式也可以在同一焊接过程中相互转换，由传 导方式向小孔方式的转变取决于旌加于工件的峰值激光能量密度和激光脉冲持续 白j 。激光脉冲能量密度的时间依赖性能够使激光焊接在激光与材料相互作用期间由 一种焊接方式向另一种方式转变即在相互作用过程中焊缝可以先在传导方式下形 成，然后再转变为小7 l 方式。可以调节激光焊接过程中各因素相互作用的程度，使 得小孔建立以后能够在脉冲间歇阶段收缩，从而减小气体侵入的可能性降低气孔产 生的倾向；还可以调整激光功率密度随时问的分布，阻减小熔池的热梯度，降低焊 接接头凝固裂纹产生的倾向。 ( a ) 热导焊( b ) 深熔焊 1 等离子体云；2 熔化材料；3 匙孔；4 熔椿 圈1 8 激光焊接的基本模式 f 1 8t h c f i l n d a m l i n c d e o f l a s e r w d d i n g 激光焊接的主要优势之一就是能够通过调节激光与材料的相互作用来优化焊接 接头的综合性能，在当代先进的激光焊接系统中，这种优化主要通过激光功率的计 算机控制来实现。通过由光、声或等离子监测系统发回的反馈，可以实时变化激光功 率以适应焊接条件的改变。在激光焊接工艺逐渐被人们接受和采纳以后，这种闭环 控制系统能保证在工业生产条件下，优化焊接过程，而无需操作者干预。 激光焊接与其它传统焊接工艺相比，有着许多优点。其最主要的优势之一就是 能够将激光束集中于非常狭小的区域，从而产生高能量密度的热源，随后，该集中 热源快速扫过被焊缝，在这方面，激光焊接可与电子束焊接相比拟但激光焊接却 有着优于电子柬焊接的特点，即激光焊接无需真空室。通过视窗、透镜及光纤，可 江苏大学硕士学位论文 以实现远程位置与多工作台的激光焊接，而且，激光焊接还可以在焊条和电子束无 法达到的三维构件内部细微区域中实施。与电子束焊接类似，激光焊接可以实现单 面焊接双面成形，复层结构也可采取单面激光焊接，所以，对于那些用其它方法需 从双面焊接的接头，如果采用激光焊接工艺，则可从单面施焊。同时，由于激光不受 电磁环境影响的特性，其应用领域也较电子束焊更为广泛。这种灵活性开辟了接头 设计的许多新思想，特别是针对某些包含不可接触表面的构件。 1 5 本文研究内容 为丰富c l a m 钢的焊接研究，顺应焊接技术发展的趋势，本文以熔化焊焊接为 基础，选用了激光焊接方法，研究c l a m 钢的激光焊接工艺，同时借助现代分析测 试技术手段，对c l a m 熔化焊焊接接头的微观组织、性能以及它们之问的规律进行 了研究分析。本论文的研究必将为有关c l a m 的工程应用及后续研究提供重要的理 论依据，同时也将对热核聚变堆器件的制造起到积极的推进作用。 本文具体工作如下： 1 ) 选用不同的焊接工艺参数对c l a m 钢进行激光焊接，对焊件进行质量分析， 优化焊接工艺参数，以获得性能优良的焊接接头。 2 ) 分析焊接接头的各区域的金相组织，以及焊接工艺参数对焊接接头组织的影 响。分析碳化物析出过程，研究碳化物在母材和焊缝中的偏聚及其分布与力学性能 间的关系。 3 ) 对焊接接头进行力学性能试验，对激光焊接c l a m 钢的力学性能的进行评估。 江苏大学硕士学位论文 第二章c l a m 钢f l , * j 焊接试验 目前，激光焊接已经越来越普遍的应用到工程领域，激光焊接技术在经历了几十 年的发展之后已经开始慢慢走向成熟。在工厂与实验室中，比较常见的激光焊接为 c 0 2 激光焊接和y a g 激光焊接。由于y a g 激光的波长只有c 0 2 激光的1 1 0 ，相对应的 材料对y a g 激光的吸收率也更高( 约为c 0 2 激光的3 倍) ，因此，y a g 激光焊接更加 适合应用于材料的焊接领域。本文试验中采用的就是y a g 激光焊接机，并且是目前 技术最成熟，焊接质量最稳定的灯泵浦y a g 激光焊机。 研究过程包括：c l a m 钢的激光焊接，焊接时采用不同的焊接工艺参数( 功率、 速度、离焦量) 分别进行激光焊接，并对比焊接结果，以期在焊透的情况下得到最好 的表面质量；焊接完成后对部分焊接接头进行焊后热处理，消除应力，优化组织；最 后通过现代分析测试手段对不同规范下的焊缝组织及性能进行观察和测试，确定合理 的焊接工艺。 2 1 试验条件 2 1 1 试验材料 试验中选用的材料为冶炼炉次为h e a t - 0 6 0 3 a 的c l a m 钢。本炉次c l a m 钢采用 了高纯原材料，经真空感应炉3 n a t 气保护熔炼而成，并对铸锭进行去皮和化学成分分 析，在1 2 0 0 热加工成所需的尺寸之后进行热处理。其过程为：9 8 0 3 0 m i n 奥氏体 化处理后水淬，并经7 6 0 。c 9 0 m i n 回火处理。 出于对钢材低活化的要求，c l a m 钢和其他低活化钢一样，采用w 、t a 和v 等合 金元素来取代常规铁素体马氏体中的m o 、n b 和n i 等微量元素，其化学成分见表1 2 。 与国际上其他r a f m 钢的化学成分相比，c l a m 钢有如下特点： 1 ) w 的含量：w 含量约占1 5 ，高于e u r o f e r 9 7 的1 0 ，低于f 8 2 h 的2 0 。 其目的是为了保持所需的足够强度，同时减少焊接热影响区l a v e s 相析出的可能性。 2 ) c r 的含量：c r 的含量是影响r a f m 钢韧脆转变温度( d b t t ) 变化的主要原因 之一。c l a m 钢中c r 含量约占9 ，保证在辐照前后具有最低的d b t t 值。 3 ) t a 的含量：更高含量t a ( 0 1 5 ) 的添加，是为了形成大量弥散碳化物，控制 江苏大学硕士学位论文 晶粒生长，细化晶粒，提高材料强度和韧性。 4 ) 其他元素的含量：添加m n 来代替n i ，是为了改善与氚增殖剂液态金属l i p b 的 相容性。另外，为了保证低活化要求，严格控制了m o 、n b 等元素的含量，使其含量 更低。 2 1 2 试验前对c i a m 钢的切割与清洗 首先利用线切割设备把c l a m 钢板切割成为3 0 m m x 3 5 m m x 6 m m 和 3 0 m m x 3 5 m m x 5 m m 的试样，经过切割后的试样表面有油污，试样的表面如果存在油 污、锈斑、杂物易使焊接接头出现央渣、气孔等缺陷，从而影响激光焊接的质量。为 保证焊接质量，必须在焊接前对母材进行焊前清理。焊缝两侧需清理3 0 m m 以上，同 时焊缝内侧及背面也要同时清理，以保证更少的杂质混入熔池内部形成缺陷。本文试 验中使用钢刷去除材料表面的氧化皮、锈斑等污物，采用丙酮对试样进行去油污处理。 2 1 3 焊接试验装置 本文激光焊接试验采用德国t r u m p f 公司的h a a sl a s e r 焊接机中的n d ：y a g 激光焊接系统：h l 4 0 0 6 d + k u k a ，该系统由以下两部分组成： 1 )