Helium bubble kinetics during laser welding of helium-doped stainless steel

Abstract

Helium is generated within neutron-irradiated reactor components and entrapped in the stainless steel components. The repair of the components using conventional GTA (Gas Tungsten Arc) welding practices is then exceedingly difficult, because of the creation of helium bubbles and weld cracking. In this research, the behavior of helium bubbles in austenitic stainless steel weldments was investigated using stainless steel helium ion-implanted and then welded using YAG Laser apparatus. Helium ion implanting of the sample was carried out using 8 MeV implantation apparatus, the sample being doped 2.45 x 10(exp 19)/sq m at 6 MeV and then doped 1 x 10(exp 19)/sq m at 5 MeV. Helium bubbles are present at the bond region, Heat Affected Zone (HAZ) and weld metal. An increase of weld heat input causes the growth of helium bubbles and produce toe cracks and cracks along the dendrite cell boundary in the weld metal. The helium bubble phenomena can be simulated in the weld metal and in the HAZ during repair welding using helium ion implanting technique.

中性子照射を受けた原子炉構成要素内で発生したヘリウムは、ステンレス鋼部品に捕捉される。そのため、通常のGTA溶接法を用いての部品の修理は非常に困難になる。ヘリウム気泡が発生し、溶接割れが生じるからである。本研究では、ヘリウムイオンを注入し、つぎに、YAGレーザ装置を用いて溶接したステンレス鋼を用いて、オーステナイト系ステンレス鋼溶接物中でのヘリウム気泡挙動を調べた。試料へのイオン注入は、8MeV注入装置を用いて行った。試料は6MeVで2.45×10{19}/平方メートルをドープし、ついで5MeVで1×10{19}/平方メートルをドープした。ヘリウム気泡は、接合部、熱影響部、溶接金属に存在した。溶接入熱が増すと、ヘリウム気泡の発生を招き、先端亀裂と溶接金属のデンドライトセル境界に沿った亀裂が生じた。ヘリウム気泡現象は、溶接金属で、そしてヘリウムイオン注入手段を用いる修理溶接中の熱影響部でシミュレートできる。