基于DIC技术获取焊接接头单轴拉伸力学性能

向文欣，祁爽,,，王永刚，宁方卯，祁磊，薛飞，蔡力勋，余伟炜，梅金娜，师金华

（1.台山核电合营有限公司，广东 江门 529200；2.西南交通大学，成都 610031；3.苏州热工研究院有限公司，江苏 苏州 215008）

我国在役和在建的核电站以压水堆型为主，反应堆建造过程中，各种关键结构（如蒸汽发生器、反应堆压力容器等）广泛采用焊接接头进行连接。镍基合金（如182、82、52合金等）及奥氏体不锈钢（如308L、309L等）由于其良好的耐高温腐蚀、较好的高温力学性能和可焊性等，而被用作主要的焊接用合金材料。根据焊接合金材料及其所连接基体材料的不同，分为同种金属焊接接头与异种金属焊接接头（Dissimilar metal weld joint, DMWJ）。核岛内的大型承压设备（如蒸汽发生器、反应堆压力容器等），由于出口接管材料为具有不锈钢覆层的低合金钢，一回路主管道材料为奥氏体不锈钢，因而在焊接接头中存在镍基合金焊材/不锈钢与镍基合金焊材/低合金钢异种金属焊接结构，以及不锈钢焊材/低合金钢DMW结构与不锈钢焊材/不锈钢同种金属焊接结构。DMWJ制造工艺复杂，制造难度大，材料在焊接时可能产生气孔、裂纹、未熔合等缺陷，且长期服役在高温、高压水腐蚀环境中，由于焊接残余应力的存在，服役过程中设备易产生缺陷。若DMWJ失效，将对核电站的安全运行将造成不可估量的损失。自20世纪90年代在DMW接头内发现裂纹起，各国科研人员即将其列为影响设备安全的重要问题，开展大量研究，并在核电设备安全评估规范中对其进行评估，以确定其是否能够继续安全使用。由于安全端与等直径的主管道不同，其在管嘴处的厚度和半径均发生几何变化，且异种金属焊接接头的母材是由两种不同材料构成，屈服性能差异大。焊接接头包含母材、热影响区、焊缝等，其组织结构存在材料性能不均匀性、力学性能不均匀性、由焊接缺陷引起的焊接裂纹和几何结构不连续性，给直接利用各种材料的出厂数据预测实际结构中的裂纹扩展历程带来困难。因此，获取DMWJ的局部力学性能对核安全尤为重要，其中DMWJ局部应变测量是获取其局部力学性能的难题。在力学测试领域，常用的应变测量方法在测量方式上可分接触式测量与非接触式测量。其中，接触式测量又称机械测量，即利用传感器弹性元件接触被测物体表面，以获取其坐标数据的测量方法，采用常规电阻应变式的位移或应变引伸计。该技术十分成熟，已广泛应用于工程测量中。非接触式测量则包括激光测量、电容测量和数字图像相关（Digital image correlation, DIC）测量等多种方法。其中，DIC技术具有“非接触”与表面“全场”位移信息的特点，是目前工程界应用中最有发展前途的3D数据采集方法。

精确的材料力学性能表征有助于理解DMWJ复杂的局部损伤断裂行为，同时与局部组织相关的力学性能是结构完整性分析的基本输入参数。因此，国内外学者对DMWJ的力学性能表征进行了研究。Jang等对材料为SA508-Alloy82/182-TP316的DMWJ进行了力学表征，通过微拉伸、硬度及断裂试验发现，DMWJ在宽度和厚度方向上力学性能不均匀。Blouin指出，做力学表征试验，通常要耗费大量的材料，这些材料通常难以得到或者比较昂贵。Blouin、Ancelet等从DMWJ的各个位置（母材、热影响区、焊缝等）取出一些小拉伸试样，发展了一种采用激光感应器和特定形状试样的方法，用于确定焊接接头局部区域的应力-应变曲线。NESC-III的VTT从多种焊接接头局部位置加工了小尺寸平板试样，得到了DMW接头的局部拉伸力学性能。综上所述，对于DMWJ材料力学性能表征主要集中在早期的核电材料和结构，对于新一代EPR机组DMWJ材料和结构的力学性能还缺乏系统的研究。

文中以压水堆核电机组蒸汽发生器一次侧管嘴与安全端DMWJ为研究对象，采用等直圆棒拉伸试样（Round-bar-tensile-specimens, RBTS），获得蒸汽发生器接管材料20MND 5的单轴拉伸应力-应变关系，以验证基于DIC技术获取DMWJ平板拉伸试样（Flat-tensile-specimens, FTS）单轴拉伸力学性能的正确性和精确性。为我国三代压水堆核电站DMWJ的设计、安全评定及寿命管理提供了更为精确的输入数据。

1 研究条件

1.1 材料与试样

压水堆核电机组蒸汽发生器一次侧接管和安全端的材料分别为20MND 5低合金钢和Z2 CND 18.12氮控奥氏体不锈钢。以INCONEL 52为焊料，采用全自动窄间隙钨极氩弧焊制备了DMWJ。焊缝的宽度为9.5~11 mm，DMWJ的厚度约为97 mm。蒸汽发生器一次侧接管的内表面为8 mm厚的308L/309L不锈钢堆焊层。

蒸汽发生器接管母材20MND 5的RBTS的尺寸如图1a所示，其等直段直径和长度分别为6 mm和30 mm，共2个试样。DMWJ的FTS的尺寸如图1b所示，焊缝位于试样中心，其等直段宽度为8 mm，厚度为1 mm，长度为30 mm，共3个试样。

图1 构型尺寸Fig.1 The dimensions of configuration

1.2 设备与试验

RBTS单轴拉伸试验设备为MTS Landmark 370.50（500 kN）电液伺服材料试验机，控制系统为TestStar II。采用标距为20 mm、量程为–10%~20%的应变引伸计MTS634.31F-21测量RBST标距段的应变，试验设备精度为0.5。试验过程中采用位移控制。FTS拉伸试验设备为SHIMADZU AG-IS（30 kN）材料试验机。采用标距为25 mm、量程为–10%~25%的应变引伸计3542-025M-025-ST测量FTS标距段的应变，精度为0.5。试验过程中采用位移控制。同时，采用德国GOM公司4 M三维光学动态全场应变测试系统ARAMIS，测量FTS表面应变，可实现与拉伸试验设备同步数据采集。

试验前，根据需要测量的视野大小，选用的标定板尺寸为55 mm×44 mm，并对镜头间距、通光量等进行调节，然后对设备进行标定。标定板及FTS试验测试现场如图2所示。用白色哑光漆喷涂在FTS表面，待其自然风干，再用墨水喷枪在试样表面制作出大小均匀、形状不一、可识别的散斑，如图3所示。在试验开始前，先在软件中进行拍照分析，确认变形可识别后，再开始试验。

图2 标定板及FTS试验测试现场Fig.2 The site of calibration plate and the FTS test

图3 制作散斑后的FTSFig.3 The FTS after making speckles

2 结果及分析

20MND 5和DMWJ的单轴拉伸应力-应变曲线如图4所示。由图4可知，通过2个RBTS获得的低合金钢20MND5的应力-应变曲线基本重合，通过3个FTS获得的DMWJ的应力-应变曲线较为接近，故母材及焊缝材料的分散性较小。单轴拉伸结果见表1。

表1 20MND 5和DMWJ的单轴拉伸结果Tab.1 The tensile testing results of 20MND 5 and DMWJ

图4 单轴拉伸应力-应变曲线Fig.4 The tension stress-strain curves

通过引伸计测量标距段内的平均应变，获得的单轴拉伸应力-应变曲线如图5所示。与通过DIC技术测量试样标距段表面平均应变获得的单轴拉伸应力-应变曲线进行比对，二者基本重合，进一步验证了DIC技术的精确性。

图5 DMWJ的单轴拉伸应力-应变曲线Fig.5 The tension stress-strain curves of DMWJ

通过DIC技术的添加截面线功能，可获得截面线上任意点在任意时刻的应变，然后通过数据后处理，可以获得截面线上选定点的应变变化。通过RBTS试验和基于DIC技术的FTS试验，获取的低合金钢20MND 5母材应力-应变的关系曲线对比结果如图6所示。由图6可知，通过DIC技术可精确测量DMWJ局部单轴应力-应变关系，对于三代压水堆核电站DMWJ的设计、安全评定及寿命管理具有重要意义。

图6 RBTS试验和FTS试验获取的20MND 5的应力-应变关系曲线比对结果Fig.6 The comparison results of 20MND 5 stress-strain curves obtained by RBTS tests and FTS tests

通过DIC技术获得单轴拉伸应力-应变曲线和通过引伸计测量获得结果相吻合，特别地，通过DIC技术可以观测到整个拉伸试验过程中试样的全场应变、产生应力集中的部位、发生破断的整个过程。图7为拉伸应变为10%、开始颈缩和临断时刻的FTS表面应变云图，可以看到，试样在焊缝位置产生颈缩，从而失效。

图7 FTS表面应变云图Fig.7 The strain cloud maps of FTS

在ARAMIS后处理软件中，在试样中线位置建立截面线，提取各阶段截面线上各点的应变数据，通过编程处理，获取不同应变时刻截面线上应变曲线，如图8所示。拉伸的最初阶段，试样等直段的应变无显著差异；但随着拉伸位移的增加，开始在焊缝中间及焊缝熔合线附近产生应力集中；位移继续增加，在焊缝位置发生颈缩，直至最终破断。

图8 截面线上的应变趋势Fig.8 The strain trend of DMWJ -3# section line at different moments

3 结论

针对核电站蒸汽发生器接管与安全端异种金属焊接接头，采用等直圆棒拉伸试样，获得蒸汽发生器接管材料20MND 5的单轴拉伸应力-应变关系，基于数字图像（Digital image correlation, DIC）相关技术，采用平板拉伸试样获取DMWJ单轴拉伸力学性能，母材及焊缝材料的分散性较小。采用等直圆棒拉伸试样获得20MND 5的单轴拉伸应力-应变关系，验证了基于DIC技术获取异种金属焊接接头单轴拉伸应力-应变曲线的正确性和精确性。

文中首次将DIC技术成功应用于压水堆核电机组焊接接头的应变测量，获得了蒸汽发生器接管安全端异种金属焊接接头区域不同加载时刻的应变场分布云图。可知随着拉伸位移的增加，在焊缝中间及焊缝熔合线附近产生了应力集中，然后在焊缝位置发生颈缩，最终破断。

DIC技术对该部件应变测量的成功应用，为后续在役核电设备上焊接接头的安全评估、剩余寿命预测等提供了新的方法和途径。