ODS合金与低合金钢异种金属焊接技术的研究现状

曹睿， 王恒霖， 车洪艳， 闫英杰

(1.兰州理工大学,省部共建有色金属先进加工与再利用国家重点实验室，兰州 730050；2.中国钢研科技集团有限公司,安泰科技股份有限公司，北京 100081；3.河北省热等静压工程技术研究中心，河北 涿州 072750)

0 前言

化石能源是我国能源消耗的主要组成部分，核能发电可大大减少化石燃料的消耗[1-2]。氧化物弥散强化的ODS合金是一种理想的核电结构材料，具有优异的抗蠕变能力和抗辐射肿胀能力，反应堆的包壳材料就是用这种合金制造而成的。ODS合金在反应堆服役过程中遇到恶劣的环境和强腐蚀性介质，因此在长时间的使用过程中，需保证焊接结构的完整性[3-5]。采用异种低合金钢制造焊接结构时，在满足服役环境的条件下尽可能节省ODS合金，降低成本简化制造工艺，填补先进反应堆的建设空白，增加设计裕度并且充分利用每种材料的性能优势[6]。然而，由于不同材料的热物理冶金(熔点、密度、晶体结构、导热性和线膨胀系数等)及化学性能差异较大，焊后接头的成形性、服役性及可靠性成为至关重要的问题[7]。因此，研究ODS合金与低合金钢的异种金属焊接十分重要。文中总结与分析了近几年采用不同焊接方法连接ODS合金与低合金钢的进展，分析了焊后接头的微观组织及力学性能，并对未来的研究方向进行了分析与展望。

1 ODS合金与低合金钢异种金属焊接的主要方法

由机械合金化制造的氧化物弥散强化的ODS合金是核反应堆中用于包壳材料和其他组件的主要候选材料。在金属基体中加入少量稳定的氧化物弥散颗粒，可以显著降低高温蠕变速率，且对金属基体的抗氧化和耐腐蚀性能没有影响。以合金MA956为例，它是一种高Al含量的铁基ODS铁素体不锈钢，高Al含量主要用于改善合金的抗腐蚀性和抗氧化性能。含Y氧化物颗粒主要附着在较大的氧化铝上，细小的含Y氧化物颗粒弥散均匀分布，可以有效阻碍位错的运动，使其在高温下具有优异的力学性能[8]。为了降低整体的生产成本以及后期的维护成本，ODS合金的应用必定需要与同种以及异种金属进行连接，用于建造聚变反应堆和其他大型工业系统。

目前，ODS合金的焊接工艺在国内外引起了广泛的关注和研究。国外对ODS合金的焊接研究主要集中在美国、德国、法国和日本等几个国家，国内对其研究处于起步阶段。开展ODS合金合适的焊接方法及焊接工艺对中国和世界接轨并达到领先水平有着重要的意义。

传统的异种金属焊接主要使用熔化焊进行焊接，如铝/钢、镁/钢、镍/钢等异种金属的焊接，采用熔化焊都能成功实现连接。大量研究表明，ODS合金的异种金属焊接是非常困难的，由于ODS合金本身成形工艺的特殊性，使其具有冶金不平衡状态，导致焊接性差是ODS合金应用中的一个关键问题。主要原因：传统熔化焊接的熔化冶金过程破坏了ODS合金的冶金不平衡性，使其原先分布在基体上的高熔点、低密度的氧化物弥散颗粒与基体液态金属发生分离。熔化-凝固的过程造成氧化物颗粒的熔化或者发生比较严重的聚集现象，弥散的氧化颗粒团聚是导致整个焊接构件力学性能严重下降的主要原因，同时氧化物颗粒的团聚及熔化也导致焊缝的硬度明显低于两侧的母材，造成焊接接头力学性能不均匀[9-13]。这种现象严重破坏母材原有的组织和性能，也违背了ODS合金设计之初氧化物颗粒的作用。因此要保证ODS合金与低合金钢异种金属焊接接头在服役的过程中具有优异的性能和良好的抗辐照及耐蚀性，必须保证在焊接接头中具有一定数量的氧化物颗粒分布[14-15]。

根据ODS合金与低合金钢2种金属的特点，国内外科研人员采用多种焊接方法对 ODS合金与低合金钢焊接进行研究，主要包括搅拌摩擦焊、电阻焊、电子束焊等。针对ODS合金与低合金钢2种材料的焊接性，主要的焊接方法以固相焊接为主，高能束焊接为辅。固相焊接在保证成功连接2种不同金属的同时也能保证焊接接头中氧化物颗粒的分布状态，并且焊后焊缝成形性好，接头强度高，力学性能普遍等于或者略小于低合金钢侧的母材强度[16-25]。高能束焊接在焊接的过程中，由于其本身可以快速加热也可以快速冷却的特点，可以瞬间形成熔池，使氧化物颗粒来不及聚集上浮就已经凝固形成焊缝[26-29]。所以在ODS合金与低合金钢异种金属焊接领域也得到应用。

2 ODS合金与低合金钢异种金属焊接研究现状

2.1 摩擦焊

摩擦焊的焊接工艺参数易于控制、能耗低、焊接精度高、不需要焊后加工，广泛应用于异种材料的高质量连接，具有显著的经济和技术优势。主要分为搅拌摩擦焊、线性摩擦焊及旋转摩擦焊。针对不同的焊接结构及接头类型所采用的方法也不同。传统核电燃料棒的包壳管与端塞之间使用TIG进行密封操作[30]，但是在反应堆这种恶劣条件下，TIG焊的焊接接头在长久服役后容易成为整个结构中最为薄弱的区域。为了延长其使用寿命、降低后期维护成本，必须研究新的焊接方法用于密封端塞与包壳管。

近些年世界各国都在研究自己的RAFM钢，如中国的CLAM钢、日本的F82H钢、欧洲的Eurofer钢皆为聚变堆低活化铁素体/马氏体钢，RAFM钢具有较低的辐照肿胀、较高的高温强度并具有低活化的特性，将其与ODS合金焊接可以充分发挥2种材料性能优势。通过旋转摩擦焊及搅拌摩擦焊对15Cr-ODS钢与F82H钢马氏体钢，MA956钢与聚变堆低活化铁素体/马氏体(RAFM)等材料进行连接[16-21]，由于摩擦焊接是一种固态连接技术，在相同材料的焊接中，无论是ODS钢还是马氏体钢，均优于其他连接技术。通过旋转摩擦焊实现2种材料连接的原理是：一侧焊接构件固定，另一侧焊接构件以较高的速度旋转使得2个焊接构件相互摩擦进行产热，待2个焊接构件达到热塑性状态，然后施加压力最后实现连接。通过搅拌摩擦焊进行连接的机理与旋转摩擦焊类似，待焊工件固定不动，搅拌头的轴肩与工件表面进行摩擦产热，搅拌针对焊缝金属进行充分搅拌，最终在压力的作用下进行焊缝成形。

ODS合金与低合金钢异种金属搅拌摩擦焊的焊接接头由焊核区、ODS合金侧热机械影响区和热影响区、低合金钢侧热机械影响区和热影响区及2种材料的原始母材组成[31-36]。在搅拌摩擦焊中，由于轴肩的产热使焊核区的峰值温度为0.75～0.9倍的母材熔点温度，但是这种温度分布从轴肩接触面开始下降[37]。由于与轴肩接触面的温度较高，所以焊核区呈现较为明显的上宽下窄的特征。搅拌摩擦焊过程中产生较大的塑性变形，具有一定的形变储能，使材料本身的再结晶温度降低，在焊核区生成许多再结晶晶粒，使焊缝的整体晶粒尺寸降低[31]。热力影响区的峰值温度随着距焊缝距离的增大而减小，整体的宽度较小。由于受到焊核区的挤压作用，在ODS合金一侧的热力影响区的晶粒尺寸较小；在含有马氏体组织的低合金钢一侧，由于低合金钢一侧热力影响区的温度超过了马氏体组织的相变温度，通常在低合金钢一侧有较多的马氏体组织生成。而2种材料的热影响区，靠近焊核区的距离较远，但是在焊接热循环作用下整体的晶粒尺寸略微长大，但是在低合金钢一侧同样发生相变，产生马氏体及析出碳化物，最终为马氏体和铁素体的混合组织，整体宽度也较窄[17-21]。ODS合金本身Cr，Al元素的含量较高，具有比较好的晶格稳定作用，在ODS合金一侧的热影响区不会发生任何相变，只是晶粒尺寸略微长大[38]。由于旋转摩擦焊的产热方式与搅拌摩擦焊不同，是依靠2个焊接试样的表面相互接触摩擦进行产热。距离工件表面的距离不同，旋转的相对速度也不同，靠近外表面的旋转速度较大，而靠近工件中心部位的旋转速度依次递减，所以外表面部位的产热量高于靠近工件中心部位的产热量，导致靠近工件中心部位的热影响区的宽度小于靠近工件两侧部位的热影响区宽度。其余部位的焊接接头组织与搅拌摩擦焊的接头组织类似[16]。

ODS钢与低合金钢异质接头摩擦焊主要存在下述2个问题。

问题1：焊后焊接接头的硬度分布不均匀，焊接接头容易硬化；焊核区、低合金侧热影响区的马氏体组织占比增加及碳化物大量析出，导致焊缝力学性能不均匀。搅拌摩擦焊和旋转摩擦焊的焊缝组织中马氏体组织的占比增加[16,19-20]。表1中，焊核区的最大硬度值为416 HV，热影响区硬度明显下降，最小值仅为242 HV[19]。在搅拌摩擦焊焊接的过程中温度高于RAFM钢的奥氏体化温度。焊核区的马氏体组织向奥氏体组织转变并溶解碳化物。由于冷却速度较快，碳化物以过饱和固溶体的形式存在于新形成的马氏体中。使得焊核区的硬度高于原始母材的硬度值。热影响区硬度下降的主要原因是：在焊接热循环的作用下发生了相变、导致热影响区的组织为铁素体和马氏体的混合组织。因此为了保证焊接接头力学性能的均匀性，必须进行焊后热处理来改善焊接接头的硬度的均匀性。退火加回火热处理后的焊缝区和热影响区的组织由马氏体组织转变为回火马氏体组织，但是焊缝区的铁素体晶粒却发生了粗化，导致焊缝区的硬度降低约为200 HV左右，而其他各区的硬度值基本相同约为250 HV左右[16]。ODS钢和低合金钢旋转摩擦焊焊接后其不同温度下的抗拉强度也发生下降。在376 ℃温度时，断裂在焊缝位置，其余温度均断裂在低合金钢的母材侧[16]。焊接试样的抗拉强度均高于低合金钢母材的抗拉强度值，但是焊缝断后断后伸长率为4%～6%，仅为低合金钢母材断后伸长率的一半。

表1 ODS合金与低合金钢异种金属焊接的试验结果

问题2：原始母材中的氧化物颗粒为纳米级尺寸，焊后在靠近接头界面侧ODS钢晶粒内部出现轻微的氧化物颗粒聚集粗化，如图1所示[16]。在焊接过程中，氧化物颗粒的聚集粗化是一个自发的过程，因为较大尺寸的氧化物颗粒相较于纳米级尺寸的氧化物颗粒更加稳定，导致在摩擦焊后靠近界面处的氧化物颗粒发生了轻微粗化。但在焊缝区域仍具有一定数量的氧化物分布，对位错具有一定的阻碍作用，可以保证整个焊接构件的服役性能[39-41]。

图1 接头界面ODS钢侧的氧化物颗粒

基于上述出现的这2个问题可以通过焊后热处理使焊接接头的硬度均匀，同时释放焊接过程的残余应力，使焊接接头的整体力学性能均匀；通过优化焊接工艺参数来调控焊接接头中氧化物颗粒的分布状态。

2.2 电阻焊

RAFM钢广泛应用于反应堆的结构材料。但是当温度超过550 ℃时，RAFM钢力学性能降低。为了进一步提高反应堆的工作效率，氧化物弥散强化的ODS合金也作为一种新型的反应堆结构材料得到了广泛的推广。但是ODS合金的制造成本较高，所以将ODS钢与RAFM钢进行焊接是一种灵活且经济的制造反应堆结构材料的方法[19]。对ODS铁素体钢与低合金钢焊接的最好连接方法就是固相焊接，以保证焊缝中具有一定数量的氧化物颗粒分布[31-41]。ODS合金固态连接工艺主要集中在搅拌摩擦焊。但是搅拌摩擦焊和旋转摩擦焊适用的焊接接头的形式有限；在包壳管和端塞的焊接中，尚未得到有效的应用。到目前为止，只能进行简单的薄板搅拌摩擦焊接。因此，评估ODS合金与低合金钢异种金属电阻焊焊接的前景至关重要。

（二）建立医疗服务价格分级管理权限与责任机制。根据各地经济发展水平、财政级次与补偿比例、提高定价效率等因素，按照价格法的规定，省政府应该授权设区市和有条件的县(市)对医疗服务价格进行调整，并做好协调指导和监督管理工作。对公立医院在保证基本医疗服务需求的前提下，为满足患者不同层次需求，放开公立医院提供的特需医疗服务和市场竞争比较充分、个性化需求较强的医疗服务项目价格实行市场调节价，由公立医疗机构自主定价，报卫生、医保、财政部门备案。

加压电阻焊是一种独特的电阻焊接工艺，在一定轴向压力下，通以大电流利用接头本身电阻产生热量，由于接头为2种不同的金属材料、阻值不同，导致接触区域最初的电流密度比其他区域大，接触点产生的热量较高。随着温度的升高接头的阻值增加，接触区域的温度随着顶锻速度的增加而增加，端面熔化的金属被挤出焊缝外部形成毛边，从而在2个组件之间形成固态连接[42]。

ODS钢与低合金钢异质接头加压电阻焊主要存在4个问题。

问题1：毛边的形成。Jerred等人[24]使用加压电阻焊进行MA957-ODS合金包壳管与铁素体-马氏体HT-9端塞的焊接。焊后焊缝的成形良好，MA957侧熔化的部分被挤出焊缝区域，形成毛边。毛边的形成是影响焊接接头强度的一个重要因素，如果没有形成毛边，那么在焊缝内部可能会形成灰斑缺陷，严重影响接头的力学性能[42]。

问题2：组织不均匀及晶粒长大。焊后焊接接头主要由焊缝区、MA957侧热机影响区、HT-9端塞侧热机影响区、热影响区及2种金属的原始母材组成。MA957侧焊缝的组织与其母材的显微组织明显不同，整体的晶粒形态从原始母材的细长晶粒转变为等轴态晶粒。这种晶粒形态的变化主要是因为在加压电阻焊的过程中，焊缝区温度较高，在焊接热循环的作用下使得端面后部金属温度升高，晶粒长大。在顶端力的作用下，端面熔化的液态金属被挤出焊缝外部，焊缝组织由端面后部的半固态金属组成，所以MA957侧的焊缝晶粒转变为等轴态[23-24,42]。MA957侧热机影响区的晶粒尺寸较焊缝的晶粒细小，主要原因是在焊接热循环及顶锻力作用下，在MA957侧的热影响区发生了动态再结晶，形成了细小的等轴晶组织，细化了MA957侧热影响区的晶粒尺寸。

问题3：氧化物颗粒聚集。如图2所示[24]，在MA957侧焊缝区及热影响区的晶粒内部均有纳米级氧化物颗粒的存在，但是氧化物颗粒的尺寸相较于原始MA957母材中的氧化物颗粒尺寸大，说明在MA957焊缝区及热影响区发生了氧化物颗粒的聚集。

图2 焊缝区的氧化物颗粒

问题4：硬度不均匀。在表1中，在HT-9钢侧焊缝及热影响区的硬度最高值约为500 HV，比HT-9钢母材硬度提高了近2倍；和ODS合金与低合金钢搅拌摩擦焊类似，由于焊接热循环的作用，导致结合界面的温度达到了HT-9钢组织转变为奥氏体组织的温度。焊后的冷却速度较快，使HT-9钢侧焊缝区及热影响区的马氏体组织占比升高，导致最终的硬度值增加。而靠近MA957侧焊缝区的硬度值降低，主要原因是焊接的过程中，使得MA957侧焊缝区的位错密度降低，同时MA957侧焊缝区的氧化物颗粒发生团聚，导致弥散强化作用降低从而导致硬度值下降。焊接接头不同区域的硬度相差较大造成焊接接头的力学性能不均匀，最终造成焊接接头成为整个焊接结构中力学性能相对薄弱的区域。经过焊后热处理消除焊接过程中产生的残余应力，可以明显改善焊接接头的硬度[44]。经过焊后热处理发现HT-9钢侧焊缝区及热影响区的硬度值明显下降，组织变得更加均匀，基本恢复为原始母材的硬度，但是MA957侧焊缝区的硬度值却没有明显变化，主要原因是焊后热处理并不能改变MA957侧焊缝区的组织，甚至还会使焊缝区的晶粒尺寸变大，造成晶界强化作用减弱，导致硬度值下降。总之，焊后热处理可以均匀MA957与HT-9钢焊缝区的组织和硬度，有效避免焊缝区成为整个焊接结构中力学性能相对薄弱的区域[24]。

ODS合金与低合金钢加压电阻焊需要避免氧化物颗粒发生团聚。氧化物颗粒团聚导致空间分布不均匀，从而失去了纳米粒子所赋予的有益特性。Olivier等人[23]在ODS钢包壳管与包壳管之间通过加压电阻焊焊接试验时，对焊后焊接试样进行了拉伸试验及气密性试验，发现焊缝的强度总是比母材的强度高。焊接构件失效的位置发生在包壳管中部。主要原因是由于焊接热循环及顶端力的作用下，在热影响区发生动态再结晶，细化了整个焊接接头的晶粒尺寸，使得晶界强化作用增强，虽然焊缝区及热影响区的氧化物颗粒出现偏聚，但是偏聚后的氧化物尺寸略大于原始母材的氧化物颗粒尺寸，整体仍然呈现弥散分布的特征，使得最终接头力学性能要高于原始母材的力学性能。在ODS合金与低合金钢的异种金属加压电阻焊中，由于氧化物颗粒的弥散强化作用，使得ODS合金的力学性能高于低合金钢的力学性能，并且在焊接接头中仍然保持一定数量的氧化物颗粒分布，所以焊接接头的力学性能高于低合金钢侧母材的强度，最终通常断裂在低合金钢母材侧。这些研究结果说明加压电阻焊是一种可以成功连接ODS合金与低合金钢异种焊接接头的焊接方法。

2.3 电子束焊

高能束焊接主要以激光焊和电子束焊为主，焊接的过程中可以实现快速熔化焊缝金属并不需要添加额外的填充材料，焊后热影响区较窄，被广泛应用在异种金属焊接领域[45-47]。但是焊接性差一直是制约ODS合金整个家族应用的主要技术瓶颈，对于铁素体ODS钢，本身晶粒尺寸相对较大，熔化焊接只使焊缝的晶粒尺寸更为粗大。所以若采用熔化焊焊接ODS合金与低合金钢，必须从根本上抑制焊缝金属中氧化物颗粒的聚集或避免焊缝晶粒快速长大[26-27]。电子束焊在真空条件下，可以使焊缝区的局部温度骤升到6 000 ℃以上。使工件材料局部熔化实现焊接。由于加热的速度较快，焊后产生较大的温度梯度，焊后工件以较快的速度冷却凝固，使焊缝中的氧化物颗粒来不及上浮就已经凝固成固态金属。

ODS钢与低合金钢异质接头电子束焊主要存在3个问题。

问题1：焊后焊缝晶粒尺寸较大，焊后焊缝区氧化物颗粒发生团聚。Commin等人使用电子束焊，进行了ODS Eurofer钢与Eurofer钢的焊接。Vít 等人使用电子束焊，进行MA956合金与316Ti钢的焊接[26-27]。焊后焊缝分为5个不同区域：焊缝区、ODS合金侧热影响区、低合金钢侧的热影响区及母材。焊缝区的晶粒尺寸相较于原始母材明显长大，平均晶粒尺寸约为100 μm，组织为铁素体和马氏体的混合组织。如图3所示[27]，焊后焊缝区有大量的孔洞及尺寸较大的氧化物颗粒。由于电子束焊瞬间加热焊缝金属，使焊缝金属迅速熔化，焊缝区域的氧化物颗粒在熔化的焊缝金属中进行重新再分配，造成氧化物颗粒聚集；然后在较大的温度梯度下快速凝固，原始氧化物颗粒的位置来不及被液态金属填充，从而形成孔洞；氧化物颗粒的数量减少，弥散强化作用减弱，导致焊缝区的晶粒长大。而低合金钢侧热影响区的晶粒尺寸比焊缝晶粒尺寸还要粗大，平均晶粒尺寸约为150 μm，在焊接热循环的作用下，热影响区温度达到材料的奥氏体化温度，焊后快速冷却，在低合金钢侧热影响区转变成粗大的马氏体组织。但是在ODS钢侧热影响区的晶粒尺寸相较于原始母材略微长大，主要原因是在ODS合金中，弥散的氧化物颗粒可以有效阻碍晶粒的长大。

图3 焊缝区氧化物颗粒及孔洞

问题2：焊后焊接接头的硬度分布不均匀。由于焊接的热作用，使得ODS Eurofer钢侧热影响区发生相变，马氏体组织的占比增加。这种焊缝组织的不均匀，导致焊接接头的硬度不均匀，使得焊缝区和热影响区出现明显的硬化现象。在表1中，焊缝区的硬度值为420 HV左右，ODS Eurofer钢侧热影响区硬度值约为500 HV，Eurofer钢侧热影响区硬度值约为550 HV。这种硬度的不均匀最终也将导致接头的力学性能不均匀，所以要进行焊后热处理消除快速冷却后降低焊缝内应力、去除不良组织[48-49]。经过焊后热处理后接头的各区的硬度基本可以恢复到原始母材的硬度值。

问题3：焊接试样的高温性能降低。Commin等人[26-27]对电子束焊的焊接接头进行了高温蠕变研究。发现ODS Eurofer钢与Eurofer钢焊接接头的蠕变强度值接近Eurofer钢母材的蠕变强度值，高于Eurofer钢同种材料电子束焊焊接接头的蠕变强度值。由于与ODS合金焊接时，焊后焊缝中仍有一部分氧化物颗粒，起到一定的弥散强化作用，使焊接接头的蠕变强度值接近Eurofer钢母材的蠕变强度值。但是当温度低于500 ℃时，断裂发生在低合金钢母材，断口发生明显的颈缩，为韧性断裂特征。由于弥散分布的氧化物颗粒阻碍位错的运动，ODS母材及焊缝表现出较高的蠕变强度值。但是当温度高于500 ℃时，蠕变强度值降低，断裂位置在焊缝区，断口未发生明显的塑性变形，在断口处发现较大的氧化物颗粒。这些较大的氧化物颗粒是在焊接的过程中发生聚集形成的，导致应力集中，从而引起焊缝断裂[26, 28]。在ODS合金与低合金钢异种金属焊接时，焊缝区氧化物颗粒的分布情况将直接影响焊接构件的服役性能，采用焊后热处理改变焊缝区晶粒组织，可以获得蠕变性能更高的焊接接头[27, 50]。

基于上述问题可通过焊后热处理均匀焊缝的组织和硬度，释放焊接过程中产生的残余应力；采用ODS合金与奥氏体不锈钢异种金属焊接可以明显提高焊接试样的高温力学性能。

3 结论

(1)在现有焊接方法的基础上，可以优化焊接工艺参数，进一步提高焊接接头的力学性能，改善焊缝中的氧化物颗粒的分布情况。

(2)采用焊后热处理、焊前预热处理及控制焊后冷却速度等方法可以改善焊接接头的组织及力学性能的均匀性。

(3)开发扩散焊等新的焊接方法进行ODS合金与低合金钢焊接。