基于焊接重组的小尺寸耐热钢蠕变裂纹扩展性能试验方法

技术领域

本发明涉及小尺寸耐热钢材料蠕变裂纹扩展性能测试技术领域，特别是涉及一种基于焊接重组的小尺寸耐热钢蠕变裂纹扩展性能试验方法。

背景技术

缺陷评定是高温承压部件及其焊接件结构完整性评定面临的共性问题，蠕变、蠕变-疲劳裂纹扩展性能是高温承压部件结构完整性评定的关键参量。紧凑拉伸试样(CT试样)是高温耐热钢蠕变、蠕变-疲劳裂纹扩展性能测试的基础，工程应用过程中，工程师时常面临高温部件尺寸不足而无法满足蠕变裂纹扩展试样取样的情况。关键数据的缺失与试验条件的限制制约着承压部件缺陷评定工作的正常开展。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的是提供一种基于焊接重组的小尺寸耐热钢蠕变裂纹扩展性能试验方法，通过试样焊接重组实现将较小尺寸的试样焊接重组成较大尺寸的试样，进而满足相关试验的取样需求，同时还可用于小尺寸耐热钢材料及其焊缝材料的蠕变裂纹扩展、蠕变-疲劳裂纹扩展和蠕变断裂韧性测试，对保障高温装备的安全与稳定运行具有重要的工程意义。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种基于焊接重组的小尺寸耐热钢蠕变裂纹扩展性能试验方法，包括以下步骤：

S1、根据拟测试耐热钢材料，确定重组扩增试块的材质；

S2、制备重组扩增试块与拟测试耐热钢试块，并进行固定装配，得到焊接重组试块；

S3、通过真空电子束焊接工艺对固定装配后的焊接重组试块进行焊接重组；

S4、对焊接重组后的试块进行焊接质量评价；

S5、在蠕变试验机上开展焊接重组试块的蠕变裂纹扩展性能测试，并利用DIC数字图像相关法对焊接重组试块蠕变裂纹扩展试验进行有效性判断。

优选的，在所述步骤S1中，所述重组扩增试块采用拟测试耐热钢材料构成或力学性能与拟测试耐热钢材料相同的材料构成。

优选的，在所述步骤S2中，在制备重组扩增试块与拟测试耐热钢试块时，蠕变断裂韧性测试采用CT试样，且所述拟测试耐热钢试块的样品高度不低于CT试样高度的四分之一，其宽度不低于CT试样的宽度，其厚度不低于CT试样的厚度，剩余尺寸不足的区域由重组扩增试块填充。

优选的，在所述步骤S2中，对制备得到的试块进行固定装配，得到焊接重组试块，具体包括：

蠕变裂纹扩展测试用焊接重组试块由引焊试块、拟测试耐热钢试块和重组扩增试块三部分组成，所述拟测试耐热钢试块设置在蠕变裂纹扩展试样的对称轴处，所述重组扩增试块分别设置于所述拟测试耐热钢试块的上下两侧，所述引焊试块设置在所述拟测试耐热钢试块的左右两侧。

优选的，在焊接重组试块装配前，还包括采用超声波清洗机分别对引焊试块、拟测试耐热钢试块和重组试块进行酒精清洗，以保证试块表面无油污存在。

优选的，在所述步骤S3中，进行焊接重组之前，还需要对焊接重组试块进行固定，具体包括：

将焊接重组试块通过夹具放置于真空电子束焊接试块固定框架的内部，并通过横向与纵向的固定螺栓将其进行刚性锚固。

优选的，在所述步骤S3中，所述真空电子束焊接工艺包括定位焊和熔合焊，所述定位焊对称分布于焊接重组试块的两侧，用于强化组装后试块的刚性锚固，所述熔合焊采用双面对称焊接工艺，用于控制焊接后试块的非对称残余变形。

优选的，在所述步骤S4中，所述焊接质量评价包括宏观检验、硬度试验和金相组织检验三部分。

优选的，在所述步骤S5中，在进行蠕变裂纹扩展性能测试之前，还需要对焊接重组试块进行保温处理，并通过DIC数字图像观测系统和滑轨式加载线位移光栅测量系统获得加载线位移VS保载时间的试验数据；通过直流电位降法测量系统和DIC数字图像观测系统获得蠕变裂纹扩展长度VS保载时间的试验数据。

优选的，所述滑轨式加载线位移光栅测量系统由滑轨式加载线位移上引申杆、滑轨式加载线位移下引申杆、蠕变裂纹扩展上加载夹具、蠕变裂纹扩展下加载夹具、蠕变裂纹扩展上夹具栓梢、蠕变裂纹扩展下夹具栓梢、轨道式蠕变裂纹扩展加载杆、光栅式位移拉伸计位移监测杆、光栅式位移引伸计和预拉紧锚固弹簧组成。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明提供了一种基于焊接重组的小尺寸耐热钢蠕变裂纹扩展性能试验方法，通过试样焊接重组实现将较小尺寸的试样焊接重组成较大尺寸的试样，进而满足相关试验的取样需求，同时还可用于小尺寸耐热钢材料及其焊缝材料的蠕变裂纹扩展、蠕变-疲劳裂纹扩展和蠕变断裂韧性测试，对保障高温装备的安全与稳定运行具有重要的工程意义。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的试验方法的流程示意图；

图2为本发明实施例提供的蠕变裂纹扩展试块的示意图；

图3为本发明实施例提供的真空电子束焊接前试块组装与固定的示意图；

图4为本发明实施例提供的焊接重组后蠕变裂纹扩展与金相硬度检验取样示意图；

图5为本发明实施例提供的焊接重组后试块金相与硬度检验示意图；

图6为本发明实施例提供的焊接重组后蠕变裂纹扩展性能试验示意图。

附图标记说明：

1-横向固定螺栓，2-纵向固定螺栓，3-固定框架，4-引焊试块，5-拟测试耐热钢试块，6-重组扩增试块，7-焊点，8-焊接重组后金相与硬度复检试块，9-焊接重组后蠕变裂纹扩展试块，10-滑移式加载线位移上引申杆，11-滑移式加载线位移下引申杆，12-焊接重组后蠕变裂纹扩展试样，13-蠕变裂纹扩展上加载夹具，14-蠕变裂纹扩展下加载夹具，15-蠕变裂纹扩展上加载夹具栓梢，16-蠕变裂纹扩展下加载夹具栓梢，17-轨道式蠕变裂纹扩展加载杆，18-DIC数字图像观测系统，19-光栅式位移引伸计位移监测杆，20-光栅式位移引伸计，21-预拉紧锚固弹簧。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种基于焊接重组的小尺寸耐热钢蠕变裂纹扩展性能试验方法，通过试样焊接重组实现将较小尺寸的试样焊接重组成较大尺寸的试样，进而满足相关试验的取样需求，同时还可用于小尺寸耐热钢材料及其焊缝材料的蠕变裂纹扩展、蠕变-疲劳裂纹扩展和蠕变断裂韧性测试，对保障高温装备的安全与稳定运行具有重要的工程意义。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，本发明提供了一种基于焊接重组的小尺寸耐热钢蠕变裂纹扩展性能试验方法，包括以下步骤：

S1、根据拟测试耐热钢材料，确定重组扩增试块的材质；

其中，重组扩增试块采用拟测试耐热钢材料构成或力学性能(弹性模量、屈服强度、持久强度)与拟测试耐热钢材料相同的材料构成。在此，以HR3C奥氏体耐热钢为例，其对应的重组扩增试块可选用HR3C、SUPER304、GH3535材料。

S2、制备重组扩增试块与拟测试耐热钢试块，并进行固定装配，得到焊接重组试块；

其中，在制备重组扩增试块与拟测试耐热钢试块时，蠕变断裂韧性测试采用CT试样，且为保证蠕变裂纹尖端非弹性变形区域与应变状态不受真空电子束焊接和重组扩增试块的影响，如图2所示，拟测试耐热钢试块的样品高度H不低于CT试样高度的四分之一，其宽度B不低于CT试样的宽度，其厚度W不低于CT试样的厚度，剩余尺寸不足的区域由重组扩增试块填充。需要说明的是，焊接工艺方法的选定、工艺参数的设置对重组扩增试块的质量存在重要影响，真空电子束能量密度高、焊接热输入作用区域小、焊接能量精准可控，是实现试样焊接重组的有效方法。

其次，对制备得到的试块进行固定装配，得到焊接重组试块，如图3所示具体包括：

蠕变裂纹扩展测试用焊接重组试块由引焊试块、拟测试耐热钢试块和重组扩增试块三部分组成，引焊试块用于保证焊点进入拟测试耐热钢试块前，真空电子束焊接参数达到稳定阶段，拟测试耐热钢试块设置在蠕变裂纹扩展试样的对称轴处，重组扩增试块分别设置于所述拟测试耐热钢试块的上下两侧，引焊试块设置在所述拟测试耐热钢试块的左右两侧。

另外，在焊接重组试块装配前，还包括采用超声波清洗机分别对引焊试块、拟测试耐热钢试块和重组试块进行酒精清洗，以保证试块表面无油污存在。

S3、通过真空电子束焊接工艺对固定装配后的焊接重组试块进行焊接重组；

其中，进行焊接重组之前，还需要对焊接重组试块进行固定，具体包括：

如图3所示，将焊接重组试块通过夹具放置于真空电子束焊接试块固定框架的内部，并通过横向固定螺栓与纵向固定螺栓将其进行刚性锚固。

其中，真空电子束焊接工艺包括定位焊和熔合焊，所述定位焊对称分布于焊接重组试块的两侧，用于强化组装后试块的刚性锚固，所述熔合焊采用双面对称焊接工艺，用于控制焊接后试块的非对称残余变形。这里以HR3C奥氏体耐热钢为例，蠕变裂纹扩展试样焊接重组时真空电子束焊接工艺参数，如表1所示。

表1HR3C真空电子束焊接工艺参数

S4、对焊接重组后的试块进行焊接质量评价；

其中，焊接质量评价包括宏观检验、硬度试验和金相组织检验三部分。宏观检验的要求为焊接重组试块的焊缝表面应无凹坑、气孔、咬边等缺陷；金相组织检验的要求为焊接熔合线熔合良好、无气孔缺陷；硬度试验的要求为拟测试耐热钢试块的裂纹布置区域布氏硬度不低于焊前材料硬度的97％，焊缝区维氏硬度过渡平稳，拟测试耐热钢试块的裂纹布置区维氏硬度不超过±3％的异常波动，由此得到如图5所示焊接重组后金相与硬度检验示意图。图4位试样焊接重组后取样示意图，其中蠕变裂纹扩展试样取样位置应位于重组试块中拟测试耐热钢材料的对称轴处。

S5、在蠕变试验机上开展焊接重组试块的蠕变裂纹扩展性能测试，并利用DIC数字图像相关法对焊接重组试块蠕变裂纹扩展试验进行有效性判断。

其中，在进行蠕变裂纹扩展性能测试之前，还需要对焊接重组试块进行在试验温度范围内对试块进行不低于10小时的保温处理，用于均衡重组试块温度梯度，降低重组试块焊接残余应力水平。随后由图6所示的系统在蠕变试验机上开展焊接重组试块的蠕变裂纹扩展性能测试，并通过DIC数字图像观测系统和滑轨式加载线位移光栅测量系统获得加载线位移VS保载时间的试验数据；通过直流电位降法测量系统和DIC数字图像观测系统获得蠕变裂纹扩展长度VS保载时间的试验数据。

其次，如图6所示，滑轨式加载线位移光栅测量系统由滑轨式加载线位移上引申杆、滑轨式加载线位移下引申杆、蠕变裂纹扩展上加载夹具、蠕变裂纹扩展下加载夹具、蠕变裂纹扩展上夹具栓梢、蠕变裂纹扩展下夹具栓梢、轨道式蠕变裂纹扩展加载杆、光栅式位移拉伸计位移监测杆、光栅式位移引伸计和预拉紧锚固弹簧组成。

另外，利用DIC数字图像技术获取试验过程初始阶段(0～100h)试样表面应变演化规律和非弹性区域范围，焊接重组试块蠕变裂纹扩展试验过程中反映裂纹尖端蠕变应力场强度的材料非弹性变形区域在高度方向应仅存在于拟测试耐热钢材料的高度内。

因此，本发明采用上述的一种基于焊接重组的小尺寸耐热钢蠕变裂纹扩展性能试验方法，通过试样焊接重组实现将较小尺寸的试样焊接重组成较大尺寸的试样，进而满足相关试验的取样需求，同时还可用于小尺寸耐热钢材料及其焊缝材料的蠕变裂纹扩展、蠕变-疲劳裂纹扩展和蠕变断裂韧性测试，对保障高温装备的安全与稳定运行具有重要的工程意义。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。