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研究低活化铁素体翻译
研究低活化铁素体/马氏体（LAFM）钢A-TIG焊
P.Vasantharaja,M.Vasudevan*
先进焊接工艺，监测和建模方案，材料技术部，英迪拉·甘地原子研究中心，卡尔帕卡姆603102，印度
文章信息
摘要
文章历史：
收到2011年5月5日
接受2011年11月25日
可在线2011年12月3日
低活化铁素体-马氏体钢（LAFM）被选为候选材料结构。
组件在核聚变反应堆。
这种结构部件通常通过焊接工艺制成的。
采用钨极惰性气体（A-TIG）焊接较厚的部件焊接一个新兴的过程。
在目前的工作，试图开发A-TIG焊接技术，用来焊接10毫米厚的LAFM钢板。
通过对LAFM钢开展各种堆焊氩弧焊活性焊剂的开发焊缝无助焊剂和助焊剂。
最佳磁通被鉴定为1这给了渗透的最大深度在最小热输入值。
用优化通量组成，10毫米厚度LAFM钢板采用双面焊接技术焊接方对接焊缝的配置。
光学和扫描电子显微镜被用于表征微结构。
显微硬度测量跨越作为焊接和焊后热处理试样焊缝截面进行。
拉伸强度和冲击韧性性能进行了测定。
A-TIG焊接LAFM钢接头在力学性能可以和通过电子束焊接工艺获得的接头相媲美。
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1、引言
反应器组件的服务完成后，为了简化融合放射性废物的处置程序，减少正在开发的活化钢[1,2]。
发展活化钢的目标是更容易的处理放射性钢通过浅地层埋藏而不是更昂贵的深埋处置。
为了制造合金钢低活化钢，合金钢应不包含元素如钼，铌，铜，镍，钼，取而代之的是在LAFM钢中增加钨和钒的含量[3,4]，LAFM钢和传统的钢相比具有优越的耐溶胀性和高的热通量的能力。
钨极惰性气体保护焊（TIG）是用于焊接LAFM钢的焊接方法之一[5]。
TIG焊自身主要的限制是焊接过程单道焊的穿透能力比较浅。
TIG焊接过程中的一个新的变种叫A-TIG焊的工艺以被报道，A-TIG焊可增强传统TIG焊的单道焊工艺在钢和不锈钢方对接接头结合的厚度，甚至可达10-12毫米。
[6,7]。
因此，与常规的没有助焊剂的TIG焊接工艺相比焊缝熔深能增加三倍[6,7]。
采用A-TIG焊，焊接前在焊接结合面上涂上一些由无机化合物组成的助焊剂可增加焊接电弧的穿透能力[8-11]。
助焊剂的使用明显的降低由铸铁铸造材料成分变异性的变化引起的磁化系数的变化和报道产生一致的渗透性无论基本金属组合物的热变化。
[8]电弧收缩和逆转马兰哥尼对流被认为是在A-TIG焊接时，以增加渗透率上升的两个主要机制。
相比传统的TIG焊接过程A-TIG焊接过程更高效和经济，因为没有边缘制剂需要更高厚度的材料和焊接的数目减少传递来完成接缝。
最近A-TIG焊已经成功进行了6-10毫米厚板材的铁素体-马氏体钢的焊接[12,13]。
因此，有必要制定具体的活性焊剂加强LAFM钢TIG焊接工艺LAFM钢的穿透能力，并保持金相组织和力学性能的稳定。
本研究的目的是开发活性焊剂对LAFM钢A-TIG焊从6mm单道焊至10mm厚
钢板的双面焊接技术。
然后，研究活性焊剂对微观结构和A-TIG焊焊缝的力学性能，包括拉伸强度和冲击韧性的影响。
表一在本研究中所使用的LAFM钢的化学成分（重量%）
元素（重量%）
Cr
C
Mn
V
Ta
N
O
P
S
8.98
0.09
0.51
0.23
0.99
0.027
0.002
0.002
0.001
B
Ti
Nb
Mo
Ni
0.003
0.004
0.002
0.002
0.005
表二LAFM钢接头A-TIG焊接参数
电流
电压
焊接速度
电弧间隙
保护气体流量（氩气）
预热温度
后烘烤温度
225A
14.7V
100mm/min
1mm
10lpm
250℃
250℃
（a）无助焊剂
（b）有助焊剂（A-TIG）
图1宏观结构显示了焊接参数相同下焊缝截面（a）TIG和（b）A-TIG焊
表三母材和热处理后焊接接头的力学性能
材料
抗拉强度（MPa）
屈服强度（MPa）
总伸长率（%）
面积减少（%）
冲击能量（J）
失效模式
维氏硬度值
母材
658
540
21
—
215
韧性断裂
190
A-TIG焊后热处理
593
462
15.6
78.6
188
脆断
256
TIG焊后热处理
786
572
10.5
—
—
脆断
330
电子束焊焊后热处理
625
524
21
—
239
脆断
250
2、实验程序
2.1材料
在本研究中使用的材料是LAFM干由MIDHANI来制造具有表1如下所示的化学组成。
利用光学发射光谱仪（OES）技术的化学成分进行测定。
这种钢是奥氏体化980˚C加热30分钟，并通过空气冷却，然后回火至760˚C保温60分钟后空冷。
2.2A-TIG焊接接头的制造和测试
助焊剂成分都按正确的比例先混合，然后将丙酮加入助焊剂，使之成糊状形式。
然后将薄层糊施在LAFM钢板待焊区域的表面上。
将使用和不使用助焊剂的堆焊焊缝试样从板上切割下来制作成试样，然后将它们抛光和用Villela试剂腐蚀。
熔深（DOP）的深度，焊缝宽度（BW）和焊接热影响区（HAZ）的宽度是用显微镜测量的。
上述过程反复进行用不同的助焊剂成分以确定产生渗透的最大深度最小热输入的最佳焊剂组合物。
优化后的焊剂组合物被选定用来A-TIG焊接LAFM钢平头对接焊缝。
焊接钢板的厚度为10mm尺寸规格为（150mmx150mmx10mm）,使用A-TIG焊进行双面焊接技术,采用2千焦/毫米的热输入，所用的焊接工艺参数列于表2中。
焊缝均经过X光检查，以确保焊接的可靠性。
焊接接头进行焊后热处理（PWHT）在760˚C下保温4小时。
将焊接接头横向切片，进行机械抛光和比耶拉试剂蚀刻的金相研究。
用光学显微镜和扫描电子显微镜（SEM）对焊接接头焊后热处理之前和之后的显微组织进行了研究。
测量整个焊接接头在200GF负荷下的维氏显微硬度。
通过拉伸强度和摆锤式冲击试验，对焊接头进行力学性能评估。
圆柱拉伸试样的制作与距焊缝中心的长度按照ASTM的E8标准，拉伸试验在室温下进行。
摆锤式冲击试验片制作和缺口距焊缝金属的中心位置按照ASTM的E23标准。
冲击试样的尺寸为55mmx10mmx10mm，用2mm的V型缺口，切口方向要求使得裂纹走向在沿焊缝的焊接方向上。
摆锤式冲击试验温度是在室温和-40˚C进行的。
使用SEM的断裂面对断口形貌进行了表征。
3、结果与讨论
3.1LAFM钢活性焊剂的研制
通过在板上进行了几次堆焊实验，以确定增加熔深深度最佳的焊剂组合物。
图1a和图1b示出了在使用相同的工艺参数下分别采用TIG焊和A-TIG焊得到的焊缝的横截面。
在焊接电流为240A，焊接速度为120mm/min下，TIG焊的焊缝熔深较浅为2.4mm,而采用A-TIG焊的焊缝熔深较深为5.3mm。
熔深深度的增加归因于在A-TIG焊过程中电弧的收缩，电弧的收缩会增加的增加电流密度，使阳极处的温度升高。
因此，可以看到焊接熔池的峰值温度A-TIG焊更高[14]。
通过电弧收缩引起的电流密度的增加导致的熔深增加和熔宽减少的机制在此次A-TIG焊中进行了详细讨论。
在本研究中采用相同的工艺参数时，A-TIG焊熔深增加与TIG焊相比十分明显[15]。
图2显示了在120mm/min的恒定速度下，电流范围从100A变化到280A时，堆焊焊缝的20个熔深深度值。
抛光和腐蚀样品使用目镜有刻度尺的显微镜测定的熔深深度和焊缝熔宽。
结果发现，在目前的水平下，A-TIG焊熔深深度的增加几乎是传统TIG焊的2倍。
在电流280A热输入为2.2kJ／mm时达到最大熔深深度5.7mm。
相同工艺参数下A-TIG焊与TIG焊相比熔深深度增加超过100%,这是由活性助焊剂使电弧收缩引起的。
类似的效果已被报道用于奥氏体不锈钢的[6]。
图3表示具有和不具有助熔剂与焊接电流对焊缝宽度的效果。
可以看出，相同的焊接电流下该焊缝宽度半数以上的降低为活化焊剂的应用。
这再次归因于电弧收缩效应。
熔宽（mm）
熔深（mm）
电流（A）电流（A）
图2焊接电流对TIG和A-TIG焊熔深深度的影响图3焊接电流对焊缝宽度焊缝的影响
图4A-TIG焊接接头焊缝横截面结构
3.2A-TIG焊接接头评价
对接焊缝接头通过使用内部开发的活性助焊剂，用10毫米厚的板材采用双面焊接技术制造，焊缝通过射线透视检查。
A-TIG焊接接头的焊接横截面的照片示于图4。
焊缝顶部和底部之间的边缘清晰重叠。
热影响区的边界在宏观结构也清晰可见。
焊接接头无变形，各个区域，如焊接焊缝，热影响区和母材金属和它们的边界被标记在图4。
图5a-d显示了焊接接头在焊后（左）和焊后热处理后（右）母材金属，熔合区和热影响区的金相组织。
上述组织取自焊缝金属，热影响区和母材的中心区。
母材金属的显微组织为回火马氏体和A-TIG焊接接头焊缝金属的晶粒尺寸相比较小。
焊接接头的熔合区和热影响区存在粗硬的马氏体。
未经处理的焊接接头的铁素体/马氏体钢表现出较差的韧性和延展性，因此需要焊后热处理。
为了提高接头性能，焊接接头焊后热处理是必要的。
对焊接接头的焊后热处理是在760˚C保温4小时。
在焊后热处理接头的熔合区和热影响区可观察到回火马氏体结构。
粗和细粒度的回火马氏体组织中的热影响区都可观察到。
母材金属和焊缝组织的SEM照片在图6a-d所示。
母材金属的晶粒尺寸与焊缝金属的晶粒尺寸相比较小，（图6a，b）。
焊缝金属观察到回火马氏体结构，而粗回火马氏体和析出物存在于粗晶热影响区，细晶热影响区观察到粗和细的回火马氏体如（图6b-d）所示。
类似的微观结构只在LAFM钢用TIG焊接工艺所产生的焊接接头中被观察到[16]。
因此目前本研究报告的显微结构的观察与早些时候报道的这种钢的类似结构是一致的。
为了研究由于焊后热处理的硬度变化，采用维氏显微硬度计进行焊缝硬度的测定。
焊缝截面测量位置如图7所示。
处理前和焊后热处理后得到的硬度分布如图7b所示。
焊缝金属的峰值硬度值430vhn0.2和平均硬度值为390vhn0.2。
热影响区的峰值硬度值是420VHN0.2和焊接接头横向硬度变化表现出尖锐的过渡，从热影响区到母材金属（BM），这是不可取的。
这是由于在热影响区粗硬的马氏体组织。
焊后热处理后在760˚C中保温4小时，焊缝和热影响区的峰值硬度降低到256和257母材金属的硬度从200到190略有下降。
LAFM钢由于焊后热处理，导致回火马氏体组织的形成的焊接接头的横向硬度分布整体有改善，用电子束焊接的焊缝类似的硬度分布已经报告了[16]。
拉伸试验在室温下进行，将焊接接头按照横向拉伸试样制备。
各种力学性能如屈服强度（YS），拉伸强度（UTS）和总伸长率的测定并与母材金属和类似的钢焊接接头相比较（表3）。
A-TIG焊接接头和通过电子束焊接工艺制造的接头相比，其强度和韧性性能稍低。
256VHN的回火后硬度值较高表明需要进一步的回火处理，减少对母材金属的硬度值。
为了提高与母材金属的性能匹配，修改焊后热处理条件是必要的。
焊接条件
焊接热处理条件
（a）母材金属
（b）焊缝金属
（c）HAZ粗晶区
（d）HAZ细晶区
图5LAFM的母材，焊缝和热影响区在Villela试剂腐蚀后和焊后热处理条件后的微观结构
焊接条件焊接热处理条件
（a）母材金属
（b）焊缝金属
（c）HAZ粗晶区
（d）HAZ细晶区
图6扫描电子显微镜显示了LAFM钢焊接在焊接和焊后热处理条件下，热影响区和母材的图像
硬度测量
图7a示意草图表示对焊接样品硬度测量的位置
（a）
（b）
图9冲击试样断口形貌室温下（a）和零下40˚C（b）
维氏硬度（HV）
图10在室温下的拉伸试验试样断口从焊缝中心的距离（mm）
图7b焊缝的焊接和焊后热处理后的显微硬度分布
3.3冲击韧性
A-TIG焊接接头在室温和温度零下40度的焊后热处理的条件下的摆锤冲击韧性试验的数据，如表3所示。
焊接接头在室温具有188J值韧性好。
焊接接头在零下40度具有4J的韧性值这意味着脆性断裂。
这个值与电子束焊接接头在零度以下表现出5.8J的冲击韧性值类似的[16]。
A-TIG焊接接头冲击韧性值可通过修改焊后热处理条件进一步完善。
3.4断口分析
由A-TIG焊制作的焊接接头试样的冲击试验表面用SEM在室温和零下40度观察，分别如图9a和b。
图9a显示了一个凹坑结构意味着失效模式是延展性，而在零下40度的失效模式是脆性模式如图9b所示。
A-TIG焊接接头拉伸试验试样的断裂表面的SEM观察如图10a所示，显示的酒窝结构意味着韧性断裂。
观察到的断裂模式和预期一样，在并与之前的报道的结果一致[16]。
4、结论
1、LAFM钢已经成功开发出特定的活性助焊剂采用A-TIG焊焊接10毫米厚双面焊和6毫米的单通道焊的焊接接技术。
2、焊接接头的粗硬的马氏体（420–430VHN）是在焊缝和热影响区，回火马氏体（256VHN）存在于焊后热处理下接头的焊缝和热影响区。
焊接接头与母材金属相比，晶粒较粗是由于在A-TIG焊中有较高的峰值温度。
3、在由A-TIG焊接接头的拉伸试验中，断裂总是发生在母材金属说明A-TIG焊接接头比母材强度更大。
4、与通过电子束焊相比，A-TIG焊接接头和母材金属的力学性能仅略有降低。
A-TIG焊接的接头可以通过修改焊后热处理条件来匹配母材金属。
为进一步改善LAFM钢焊接接头延展性和冲击韧性值，可能需要进行多次焊后热处理。
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