背景简介

在石化、航空航天和核能领域，大量设备或其部件在高温高压、中子辐照等工况下长期服役，需要对高温设备或其部件材料的机械性能进行定期测试，以验证是否仍具备足够的高温强度等机械性能。小试样测试方法（如压入试验、小冲杆试验和鼓胀试验）仅需从在役设备表面提取很小部分金属，即可用于在役设备或其部件材料的机械性能测试，是一项非常有前景的传统测试替代方案。其中，气压鼓胀试验具有试样表面载荷作用均匀、试样与加载介质间无摩擦、夹具刚度影响较小以及加载源适用于高温环境等显著优势，有望更可靠地获得在役设备或其部件材料的高温机械性能。

当前，气压鼓胀试验的主要挑战之一在于如何解决高温高压环境下长时试验的密封问题。本文分别采用氩弧焊和激光焊对试样夹持端进行密封焊接，评估两种焊接工艺对气压鼓胀试验的影响。试验结果证实激光焊作为试样制备优选焊接技术具有可行性，为气压鼓胀测试系统的气体密封提供了有效解决方案。

成果介绍

（1）两种焊接工艺均可实现高温高压测试环境下的有效密封。Φ19×0.3 mm的试样与Φ22×20 mm的下夹具顶端分别采用氩弧焊和激光焊对试样边缘进行搭接式密封焊，图1为两种焊接工艺示意图。焊接接头未使用填充金属，以最大限度减少焊接因素对测试的影响。图2为气压鼓胀试验示意图。上下夹具对试样非鼓胀加载区域完全夹紧，试样边缘焊接于下夹具顶端以进行密封。均匀且持续的受压气体通过下夹具孔后作用在试样表面。图3为试验前后试样的宏观形貌。试样边缘处的焊缝密封良好，无泄漏痕迹。两种焊接工艺得到的试样均在其中心位置处发生最终爆破，表明上述焊接方法均可实现高温高压（600℃，~50 MPa）测试环境下的有效密封。

图1 两种焊接工艺示意图：（a）氩弧焊；（b）激光焊

图2 气压鼓胀试验示意图

图3 气压鼓胀试验前后试样的宏观形貌

（2）激光焊制备的试样的气压鼓胀测试结果与模拟结果更为接近。图4给出两种焊接制备的试样的气压鼓胀测试曲线，以及忽略焊接影响得到的模拟曲线。与氩弧焊相比，激光焊制备的试样测试结果与模拟结果更为接近。对激光焊制备的试样进行一系列中断测试（图5）。试样变形区域在整个加载过程中与各向同性薄球壳假设非常接近。在均匀分布的气体压力载荷下，不同压力水平的试验结果与模拟结果具有一致性。

图4 两种焊接方法制备的试样的气压鼓胀测试曲线与模拟预测曲线对比

图5 中断试验结果与模拟结果的对比

（3）焊缝微观表征结果表明激光焊制备的试样焊缝和热影响区明显小于氩弧焊。图6为两种焊接接头横截面的微观形貌。与氩弧焊相比，激光焊的热影响区范围更小。激光焊的焊缝宽度和深度分别仅为1.152 mm、0.567 mm，对于直径达19 mm的圆片试样而言，焊缝的影响区域十分有限，并且激光焊的焊缝宽度和深度仅约氩弧焊的34.8%、45.9%。硬度分布（图7）进一步显示，激光焊的高硬度区仅限于热影响区，其母材与焊缝间的硬度梯度远小于氩弧焊。这些因素共同导致激光焊试样的气压鼓胀测试结果显著低于氩弧焊试样。

采用激光焊制备的试样能够提供可靠的高温高压密封，且对气压鼓胀试验结果的影响相对较小，可作为解决高温高压气压鼓胀测试系统长时密封问题的可行路径。未来将继续研究更加可靠、更具成本优势的密封方法，进一步提高气压鼓胀测试结果的准确性。

图6 两种焊接接头横截面的微观形貌：（a）氩弧焊；（b）激光焊

图7 两种焊接接头的硬度分布云图：（a）氩弧焊；（b）激光焊

致谢

该研究获国家自然科学基金，国家重点科研计划及上海高校高峰学科建设项目的支持。本文第一作者：郭子键（华东理工大学），本文通讯作者：温建锋（华东理工大学），涂善东（华东理工大学）。

 本期小编：郭子键（整理）

温建锋 （审核）

董乃健 （发布）