15-15Ti不锈钢锁底结构激光-氩弧复合焊接性能分析学习体会

文献概况与研究背景

本文发表于《核动力工程》2024年第45卷增刊2，作者关怀等来自中核北方核燃料元件有限公司及内蒙古自治区核燃料元件企业重点实验室，针对钠冷快堆用15-15Ti不锈钢材料开展了一种典型锁底结构的激光-氩弧复合焊接工艺研究。该研究由中核北方核燃料元件有限公司自主投入项目资助，具有重要的工程应用背景。

钠冷快堆（SFR）作为第四代核能系统的重要候选堆型，其燃料组件的制造对焊接质量提出了极为苛刻的要求。15-15Ti不锈钢作为燃料组件包壳和锁底结构的关键材料，其焊接接头必须承受高温钠环境的长期腐蚀、辐照损伤和机械载荷的综合作用。锁底结构的特殊性在于需要多次焊接才能完成装配，这对焊接工艺的重现性和一致性提出了极高要求。

15-15Ti不锈钢材料特性

15-15Ti不锈钢是一种奥氏体不锈钢，其典型成分为15%Cr、15%Ni，并添加Ti作为稳定化元素。

Ti的加入能有效固定碳，防止焊接热循环导致的Cr₂₃C₆在晶界析出，从而抑制晶间腐蚀。然而，Ti也可能在焊缝中形成TiN、TiC等夹杂物，影响焊缝的力学性能和耐蚀性。

激光-氩弧复合焊接工艺原理

激光-氩弧复合焊接（Laser-TIG Hybrid Welding）结合了激光焊和TIG焊两种热源的各自优势：激光提供高能量密度的深熔能力，TIG电弧提供宽熔池和稳定的金属过渡。

复合焊接的关键在于两种热源的协同作用：激光在前、电弧在后的配置下，激光形成的匙孔为电弧提供了稳定的熔池边界，电弧则降低了激光焊接的敏感性，使焊接过程更加宽容。

锁底结构焊接的特殊挑战

锁底结构需要多次焊接才能完成，每次焊接的接头位置、方向和可达性均不同。这带来了以下技术挑战：

1. 热累积效应：多次焊接导致热影响区反复受热，可能引起组织粗化、晶界迁移和残余应力叠加。
2. 可达性限制：锁底结构的几何形状复杂，焊枪角度受限，需要灵活的工艺适应。
3. 一致性要求：每次焊接的接头必须具有相同的力学性能和耐蚀性，任何一次焊接的缺陷都可能导致整个组件报废。
4. 尺寸精度：多次焊接的累积变形可能影响组件的尺寸精度和装配质量。

试验结果分析

显微组织特征

文献报道，激光-氩弧复合焊接的焊缝凝固模式为柱状晶向等轴晶的过渡，焊缝组织均匀，未观察到明显的脆性相（如σ相、χ相）析出。多次焊接后的焊缝组织与单次焊接基本一致，说明工艺具有良好的热稳定性。

力学性能

焊缝的抗拉强度和延伸率均满足母材要求，多次焊接后的力学性能未出现显著下降。这一结果表明激光-氩弧复合焊接的热输入控制得当，未对热影响区造成过度损伤。

晶间腐蚀性能

焊缝和热影响区的晶间腐蚀性能合格，说明Ti的加入有效抑制了焊接热循环导致的敏化现象。这一结果对钠冷快堆燃料组件的长期服役安全至关重要。

多次焊接的一致性

多次焊接后，焊缝形貌、凝固模式、显微硬度和力学性能均保持一致，未出现性能退化趋势。这一结论是本文最核心的工程发现，直接证明了该工艺可用于锁底结构的批量制造。

工艺参数优化建议

基于文献报道和工程实践，锁底结构的激光-氩弧复合焊接参数应重点优化以下方面：

工程应用展望

本文的研究成果对钠冷快堆燃料组件的制造具有重要的工程指导意义。锁底结构的多次焊接一致性验证，为批量生产提供了可靠的技术基础。未来可进一步开展以下工作：

• 模拟实际服役条件的加速腐蚀试验，评估焊接接头在钠-水反应环境中的长期性能。
• 中子辐照后的焊接接头性能研究，评估辐照硬化和辐照脆化的影响。
• 焊接残余应力的测量与应力释放工艺研究，降低热应力对组件完整性的影响。
• 焊接工艺数字化与智能化，建立工艺参数与焊接质量的实时反馈控制模型。

学习心得

本文的研究体现了核工业焊接技术的严谨性和工程导向。与一般工业焊接不同，核级焊接的每一次工艺探索都必须建立在对材料行为深刻理解的基础上，且必须经过严格的性能验证。激光-氩弧复合焊接在锁底结构上的成功应用，证明了复合热源焊接在复杂结构、多次焊接场景中的独特优势。对于从事核级焊接的技术人员，本文的核心启示在于：工艺的可重复性和一致性是比单次焊接性能更重要的评价指标，只有经过多次焊接验证的工艺，才能用于核级部件的批量制造。