焊接熱輸入對核電用低合金鋼焊條熔敷金屬力學(xué)性能的影響

黃義芳+陳維富+蔣勇+朱平+趙建倉+郭曉凱+黃騰飛+邱振生

蘇州 215004；3.中廣核工程有限公司，廣東 深圳 518124）

摘要： 針對核電用低合金鋼焊條CHE608HR2，采用改變焊接熱輸入的方法，借助金相顯微鏡，研究了焊接熱輸入對其熔敷金屬力學(xué)性能及組織的影響。結(jié)果表明，熔敷金屬力學(xué)性能隨著焊接熱輸入量增大而降低，焊接熱輸入大于32 kJ/cm時，熔敷金屬力學(xué)性能下降明顯；焊接熱輸入小于等于25 kJ/cm時，熔敷金屬力學(xué)性能最優(yōu)。

關(guān)鍵詞： 熔敷金屬； 焊接熱輸入； 力學(xué)性能

中圖分類號： TG422

Abstract：The influence of welding heat input on the mechanical properties and microstructure of the alloy was studied by means of metallographic microscope， the CHE608HR2 of low alloy steel for nuclear power and the method of changing the heat input. The results show that the mechanical properties of the weld metal are decreased with the increase of the welding heat input， and the mechanical properties of the welded metal are decreased obviously， while the welding heat input is less than or equal to 25 kJ/cm， and the mechanical properties of the weld metal is the best.

Key words：weld metal； heat input； mechanical properties

0 前言

近幾年國內(nèi)核電行業(yè)迅速發(fā)展，隨著國內(nèi)三代核電機組的陸續(xù)開工，對三代核電機組用焊接材料的需求也與日俱增，低合金鋼焊條作為三代核電機組用焊接材料的重要組成部分[1-4]，為了更好的應(yīng)用于核電工程，文章的試驗焊條為國家能源局“核級焊接材料國產(chǎn)化開發(fā)及應(yīng)用研究”項目中的低合金鋼焊條，牌號為CHE608HR2（型號為E9018-G），文章通過對焊條CHE608HR2改變焊接熱輸入的方式，研究對其熔敷金屬的力學(xué)性能的影響，對工程應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)意義。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料 試驗焊條CHE608HR2熔敷金屬的化學(xué)成分見表1。

“核級焊接材料國產(chǎn)化開發(fā)及應(yīng)用研究”項目技術(shù)條件對試驗焊條CHE608HR2熔敷金屬常溫力學(xué)性能的要求見表2。

1.2 試驗設(shè)備

直讀光譜儀：德國斯派克 SPECTROLAB M10；

微機控制電子拉力材料試驗機：深圳瑞格爾 RGM4100；

擺錘式?jīng)_擊試驗機：美特斯 ZBC 3302C；

箱式電阻爐：天津泰斯特 SX410；

紅外測溫儀：上海世祿儀器 66/68；

焊機：時代逆變 ZX7400。

1.3 試驗方法

采用Q345板厚20 mm，試板尺寸為300 mm×300 mm。焊接前采用CHE608HR2堆邊，堆邊厚度大于3 mm。試驗焊條牌號CHE608HR2，規(guī)格：4.0 mm。試驗焊條進行380 ℃烘焙1 h，立向焊接。試板組對要求如圖1所示， 試驗方案見表3。

2 試驗結(jié)果分析與討論

2.1 不同熱輸入量對焊縫熔敷金屬力學(xué)性能的影響

焊條熔敷金屬力學(xué)性能分別按GB/T 2650—2008《焊接接頭沖擊試驗方法》， GB/T 229—2007《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法》， GB/T 2652—2008《焊縫及熔敷金屬拉伸試驗方法》試驗，其結(jié)果見表4和如圖2所示。

重點對熔敷金屬的抗拉強度和沖擊吸收能量進行了分析，得到了如下的結(jié)果如圖2所示。

從表4可以看出，隨著焊接速度從15 cm/min減小到6.4 cm/min，熱輸入從15 kJ/cm增加到35 kJ/cm，在所選用的試驗方案范圍內(nèi)，熔敷金屬拉伸強度和-30 ℃沖擊韌性隨著熱輸入量的增加呈下降趨勢；當焊接熱輸入為35 kJ/cm時，熔敷金屬拉伸強度和-30 ℃低溫沖擊韌性值下降幅度較大。當焊接熱輸入小于等于30 kJ/cm時，熔敷金屬可以獲得良好的拉伸強度和-30 ℃沖擊韌性值。在焊接熱輸入為35 kJ/cm時，仍可滿足“核級焊接材料國產(chǎn)化開發(fā)及應(yīng)用研究”項目技術(shù)條件的要求。

2.2 不同熱輸入量對金相組織的影響

焊接條件和表2相同，分別從對應(yīng)的試板上取一個金相試樣進行金相分析。在放大倍數(shù)分別為100×和500×的條件下得到以下試驗結(jié)果如圖3所示。

從圖3中可以看出，100倍顯微鏡下的柱狀晶組織，隨著焊接熱輸入的逐漸增大，熔敷金屬組織中先共析鐵素體數(shù)量增多，當熱輸入量超過30 kJ/cm時，先共析鐵素體明顯增多，并呈帶狀分布在組織中。500倍顯微鏡下組織可以看出，熱輸入為15 kJ/cm時，熔敷金屬組織為針狀鐵素體加粒狀貝氏體，晶粒最為細小，分布較均勻；熱輸入大于20 kJ/cm時，出現(xiàn)極少量塊狀先共析鐵素體，隨著焊接熱輸入的增加，先共析鐵素體量呈遞增趨勢。先共析鐵素體含量對熔敷金屬韌性影響明顯，需合理控制焊接熱輸入，降低熔敷金屬中先共析鐵素體含量，得到較好的綜合熔敷金屬力學(xué)性能。

2.3 核電工程中焊接熱輸入的控制討論

焊接是核電工程最關(guān)鍵的施工工藝之一，核電工程焊接質(zhì)量涉及核電工程運行的安全性，核電工程事故甚至?xí)斐蔀?zāi)難性后果，給國家和人民的生命財產(chǎn)造成重大損失。核電工程建造施工焊接工作量大，人工成本高。一方面建造單位控制成本，縮短工程周期，需要提高焊接效率；另一方面焊工實行計件工資，焊接普遍采用大熱輸入焊接，以提高單位時間的熔敷金屬量。但熱輸入過大，容易造成接頭和熱影響區(qū)組織過熱，產(chǎn)生過熱組織，而使其脆化，降低焊縫和熱影響區(qū)的硬度和韌性。所以，核電工程中焊接熱輸入的控制成為核電制造單位的關(guān)鍵質(zhì)量控制之一。

3 結(jié)論

（1）核電用低合金鋼焊條CHE608HR2在焊接熱輸入小于等于30 kJ/cm時，熔敷金屬可以獲得良好的拉伸強度和-30 ℃沖擊韌性值。在焊接熱輸入為35 kJ/cm時，仍可滿足“核級焊接材料國產(chǎn)化開發(fā)及應(yīng)用研究”項目技術(shù)條件的要求。

（2）金相檢測結(jié)果表明：核電用低合金鋼焊條CHE608HR2熔敷金屬組織表現(xiàn)為具有針狀鐵素體加粒狀貝氏體加少量塊狀先共析鐵素體，隨著焊接熱輸入的增加，先共析鐵素體量呈遞增趨勢。

（3）四川大西洋焊接材料股份有限公司研制的核電用低合金鋼焊條CHE608HR2適用于較大線能焊接，在焊接熱輸入小于等于30 kJ/cm時， 熔敷金屬力學(xué)性能較穩(wěn)定，在應(yīng)用于相應(yīng)的核電工程時，具有較強的適應(yīng)性。

參考文獻

[1] 杜則裕.材料焊接科學(xué)基礎(chǔ)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2012.

[2] 陳玉喜，劉亮，張華軍，等. 焊接熱輸入對低合金高強鋼焊縫組織和韌性的影響[J]， 上海交通大學(xué)學(xué)報， 2015， 49（3）：306-309.

[3] 任頌贊. 鋼鐵金相圖譜[M]. 上海：上海科學(xué)技術(shù)文獻出版社，2003.

[4] 匡艷軍，黃騰飛，邱振生，等. 核電廠用低合金鋼表面耐蝕層堆焊方法組合對熱影響區(qū)組織的影響[J].焊接，2014（9）：14-18.