低合金鋼自動(dòng)回火焊接過程中熱影響區(qū)組織轉(zhuǎn)變

葉義海 ，羅緒珍 ，王 建 ，付榮真 ，張江濤 ，王 理，宋怡漾，朱勇輝，潘曉冬

（1.中國核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院反應(yīng)堆燃料及材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都 610041；2.中核核電運(yùn)行管理有限公司，浙江海鹽314300）

0 前言

早期核動(dòng)力裝置中，主容器與管道連接的異種金屬焊縫大量采用Inconel-600材料，其在一回路高純水中對(duì)SCC的敏感性較高，隨著機(jī)組運(yùn)行時(shí)間的延長，在承受高溫、高壓、高輻照的惡劣工況環(huán)境下，根據(jù)國際應(yīng)用案例，該類焊縫容易出現(xiàn)腐蝕泄漏。

針對(duì)Inconel-600合金材料出現(xiàn)腐蝕泄露的問題，一般是在失效管道焊縫上進(jìn)行一定厚度和寬度的堆焊密封，形成新的壓力邊界，加強(qiáng)局部出現(xiàn)環(huán)形裂紋的結(jié)構(gòu)，防止該處缺陷出現(xiàn)泄露。國外經(jīng)驗(yàn)表明，修復(fù)堆焊層能加強(qiáng)焊縫結(jié)構(gòu)，改善管道中的殘余應(yīng)力分布，并且焊后形成的壓應(yīng)力對(duì)應(yīng)力腐蝕裂紋具有止裂作用，可緩解疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展。由于低合金鋼是易淬火鋼，在維修堆焊過程中，作為焊接熱影響區(qū)的低合金鋼會(huì)產(chǎn)生不良淬火組織（如馬氏體、魏氏體等），該類組織硬度高、脆性大、韌性差，需進(jìn)行性能熱處理予以糾正[1]。而核動(dòng)力裝置維修現(xiàn)場的空間和條件限制決定了難以進(jìn)行現(xiàn)場熱處理?；鼗鸷傅篮附蛹夹g(shù)是通過后續(xù)焊道對(duì)前焊道熱影響區(qū)起到的回火作用來改善熱影響區(qū)組織進(jìn)而改善性能的技術(shù)[2]。回火焊道的回火效應(yīng)可替代堆焊后需進(jìn)行的性能熱處理。國內(nèi)回火焊道維修工藝技術(shù)研究還處于起步階段，在核動(dòng)力裝置維修工程應(yīng)用方面未見報(bào)道。在此重點(diǎn)分析研究低合金鋼回火焊道焊接熱影響區(qū)組織變化，從而揭示回火焊道焊接過程中低合金鋼熱影響區(qū)的組織轉(zhuǎn)變行為，為回火焊道焊接技術(shù)在核動(dòng)力裝置異種鋼接頭堆焊維修中的工程應(yīng)用奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用母材為低合金鋼SA508-3，交貨狀態(tài)為調(diào)質(zhì)態(tài)，組織為粒狀貝氏體，化學(xué)成分如表1所示。試驗(yàn)件規(guī)格尺寸φ150 mm×50 mm×40 mm。

試驗(yàn)用焊材為鎳基合金焊絲ERNiCrFe-7A，規(guī)格φ1.0 mm，化學(xué)成分如表2所示。

表1 SA508-3鋼化學(xué)成分%

表2 ERNiCrFe-7A鎳基合金焊絲化學(xué)成分%

1.2 試驗(yàn)過程

（1）試驗(yàn)件制備。

試驗(yàn)件制備采用自動(dòng)鎢極氬弧焊，直流脈沖電流，焊接線能量0.7～1.1 kJ/mm。焊前試驗(yàn)件不進(jìn)行預(yù)熱處理。

試驗(yàn)共制備5件試驗(yàn)件，其中DHSY-TGGG-1～DHSY-TGGG-4為分別堆焊1～4層試件，DHSYTGGG-5的制備方法與DHSY-TGGG-4相同，不同的是試驗(yàn)件堆焊完成后在兩端進(jìn)行了特定工藝焊接處理。在回火焊道堆焊過程中，嚴(yán)格控制焊道間的搭接b/a（見圖1）和焊層間搭接尺寸S（見圖2）。

圖1 道間搭接結(jié)構(gòu)

圖2 層間搭接結(jié)構(gòu)

（2）微觀組織性能分析試驗(yàn)。

采用4%HNO3酒精溶液對(duì)5件金相樣品進(jìn)行腐蝕，在光學(xué)顯微鏡下分析堆焊熱影響區(qū)（HAZ）組織形貌。

2 試驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1 堆焊1層后的HAZ組織形貌

DHSY-TGGG-1金相樣品HAZ微觀組織觀察位置如圖3所示。

DHSY-TGGG-1金相樣品HAZ不同位置處的微觀組織形貌如圖4所示。

圖3DHSY-TGGG-1 HAZ微觀組織觀察位置

由圖3、圖4可知，堆焊1層回火焊道后的試驗(yàn)件HAZ微觀組織主要為馬氏體組織。其中兩端HAZ組織為板條狀馬氏體組織（見圖4a、4c）；中間區(qū)域HAZ組織為回火馬氏體組織（見圖4b）。

圖4DHSY-TGGG-1不同位置熱影響區(qū)組織形貌

因?yàn)樵囼?yàn)采用的SA508-3低合金鋼屬于易淬火鋼，熱處理狀態(tài)為調(diào)質(zhì)態(tài)，由圖4d可知，在焊接過程中任何1道回火焊道的焊接在該焊道的焊趾外側(cè)熱影響區(qū)均會(huì)產(chǎn)生完全淬火區(qū)、不完全淬火區(qū)和回火區(qū)[3]。分析認(rèn)為，在焊接第1層焊道時(shí)，靠近熔合線的HAZ處在完全淬火區(qū)和不完全淬火區(qū)內(nèi)。在完全淬火區(qū)內(nèi)，焊接過程中該處HAZ經(jīng)歷的峰值溫度可達(dá)到Ac3以上，在快速冷卻后形成的主要組織為板條馬氏體組織[4]；在不完全淬火區(qū)內(nèi)，焊接過程中該處HAZ經(jīng)歷的峰值溫度可達(dá)到Ac1～Ac3，快速冷卻后形成的主要組織為馬氏體和鐵素體[5]。第1層焊接時(shí)采用的是回火焊道焊接技術(shù)，后續(xù)1～2道焊道熱循環(huán)對(duì)前一焊道熔合線附近的HAZ會(huì)產(chǎn)生一定的回火作用，此時(shí)HAZ的馬氏體組織會(huì)脫碳分解，形成針狀含碳量相對(duì)較低α相和ε-碳化物組成的回火馬氏體組織，該組織容易腐蝕，在光學(xué)顯微鏡下呈黑色針狀組織（見圖4b）。在試驗(yàn)件的兩端，由于受到的焊接熱循環(huán)次數(shù)較少，回火效果相對(duì)較差，相對(duì)應(yīng)的HAZ的馬氏體組織分解不充分，以板條狀馬氏體為主（見圖4a、圖4c）。

2.2 堆焊2層后的HAZ組織形貌

DHSY-TGGG-2金相樣品HAZ微觀組織觀察位置如圖5所示。

圖5DHSY-TGGG-2 HAZ微觀組織觀察位置

DHSY-TGGG-2金相樣品HAZ不同位置處的微觀組織形貌如圖6所示。

由圖6a、6d可知，堆焊2層回火焊道后的試驗(yàn)件兩端HAZ組織主要為回火馬氏體組織，并有原始奧氏體晶界出現(xiàn)，且晶界內(nèi)存在回火馬氏體。由圖6b、6c可知，堆焊2層回火焊道后的試驗(yàn)件中間區(qū)域HAZ組織主要為托氏體組織。

圖6DHSY-TGGG-2不同位置熱影響區(qū)組織形貌

在堆焊第2層時(shí)，靠近熔合線附近的HAZ處于第2層焊接時(shí)的不完全淬火區(qū)和回火區(qū)內(nèi)。由于處于不完全淬火區(qū)段的時(shí)間短，只有少量組織奧氏體化，冷卻后形成馬氏體組織。在試驗(yàn)件的中間區(qū)域，由于受到的焊接熱循環(huán)相對(duì)兩端較多，大部分熔合線附近HAZ的馬氏體組織繼第1層焊接后繼續(xù)分解，形成低碳α相和碳化物。由于高溫回火時(shí)間較短，低碳α相開始但還未發(fā)生復(fù)位，仍然保留著針狀低碳α相；同時(shí)第1層焊接時(shí)回火產(chǎn)生的ε-碳化物以及第2層焊接回火形成的ε-碳化物形核生成θ-碳化物，θ-碳化物與α相脫離形成θ-滲碳體[6]，這就形成了低碳針狀α相和θ-滲碳體機(jī)械混合的托氏體組織（見圖 6b、6c）。

試驗(yàn)件的兩端：（1）相對(duì)于中間區(qū)域HAZ，兩端HAZ經(jīng)歷的焊接熱循環(huán)較少，回火效果相對(duì)較差，其組織為由板條狀馬氏體分解形成針狀低碳α相和ε-碳化物組成的回火馬氏體組織。（2）在低合金鋼的焊接過程中，HAZ區(qū)域不可避免地會(huì)存在一定量的殘余奧氏體組織，同時(shí)兩端的HAZ中殘余奧氏體在200～300℃時(shí)發(fā)生脫碳分解，在原始奧氏體晶界內(nèi)形成針狀低碳α相和ε-碳化物組成的回火馬氏體組織（見圖6a、6d）。由于兩端經(jīng)歷熱循環(huán)相對(duì)中間區(qū)域較少，回火馬氏體來不及分解，因此兩端區(qū)域的組織還是以回火馬氏體為主。

2.3 堆焊3層后的HAZ組織形貌

DHSY-TGGG-3金相樣品HAZ微觀組織觀察位置如圖7所示。

DHSY-TGGG-3金相樣品HAZ不同位置處的微觀組織形貌如圖8所示。

由圖8a可知，第3層堆焊完成后，試驗(yàn)件DHSYTGGG-3兩端HAZ組織主要由回火馬氏體組織和托氏體組織組成；由圖8b可知，堆焊3層回火焊道后的試驗(yàn)件中間區(qū)域組織主要為回火索氏體和托氏體組織。

圖7DHSY-TGGG-3 HAZ微觀組織觀察位置

圖8DHSY-TGGG-3熱影響區(qū)組織形貌

在堆焊第3層時(shí)，靠近熔合線的HAZ處于第3層焊接時(shí)的回火區(qū)內(nèi)。在試驗(yàn)件的中間區(qū)域，由于受到的焊接熱循環(huán)相對(duì)兩端較多，回火效果較兩端充分，針狀低碳α相發(fā)生再結(jié)晶，α相晶粒長大，針狀形態(tài)消失，形成柱狀晶；此時(shí)滲碳體也在高溫回火作用下聚集成較大顆粒，在熔合線處的HAZ形成了柱狀α相與顆粒狀滲碳體機(jī)械混合的索氏體組織（見圖8b）。試驗(yàn)件的兩端由于所受的焊接熱循環(huán)相對(duì)較少，回火效果相對(duì)較差，兩端熔合線附近HAZ的回火馬氏體組織部分正向托氏體轉(zhuǎn)變，因此該區(qū)域的組織主要為回火馬氏體組織和托氏體組織（見圖8a）。

2.4 堆焊4層后的HAZ組織形貌

DHSY-TGGG-4金相樣品HAZ微觀組織觀察位置如圖9所示。

圖9DHSY-TGGG-4 HAZ微觀組織觀察位置

DHSY-TGGG-4金相樣品HAZ不同位置處的微觀組織形貌如圖10所示。

由圖9和圖10可知，圖10a為試驗(yàn)件DHSYTGGG-4兩端及附近區(qū)域HAZ微觀組織；圖10b為試驗(yàn)件DHSY-TGGG-4中間區(qū)域HAZ微觀組織。第4層堆焊完成后，試驗(yàn)件DHSY-TGGG-4兩端HAZ組織主要仍為回火馬氏體和回火托氏體組織，且原始奧氏體晶界再次出現(xiàn)（見圖10a）；堆焊4層回火焊道后的試驗(yàn)件中間區(qū)域組織主要為回火索氏體組織和回火托氏體組織（見圖10b）。

在焊接第4層時(shí)熔合線附近的HAZ處于第4層焊接的高溫回火區(qū)外側(cè)，試驗(yàn)件中間區(qū)域的高溫回火組織基本保持不變，仍以回火索氏體和回火托氏體為主。試驗(yàn)件兩端未分解徹底的殘留奧氏體在200～300℃繼續(xù)分解，在原始奧氏體晶界內(nèi)形成針狀低碳α相和ε-碳化物組成的回火馬氏體組織，（見圖10a）。由于第4層離兩端熔合線HAZ較遠(yuǎn)，兩端回火溫度較低，同時(shí)兩端經(jīng)歷熱循環(huán)較少，回火馬氏體來不及分解，因此在第4層焊接完成后，在兩端熔合線附近HAZ組織仍有回火馬氏體組織和原始奧氏體晶界。

2.5 增加補(bǔ)充回火焊道后的HAZ組織形貌

增加補(bǔ)充回火焊道后的試件（DHSY-TGGG-5）兩端焊趾附近HAZ微觀組織形貌如圖11所示。

圖10DHSY-TGGG-4熱影響區(qū)組織形貌

由圖11可知，增加補(bǔ)充回火焊道后，試件兩端焊趾附近HAZ不良組織得到充分糾正，其組織形貌為回火索氏體和回火托氏體。

圖11DHSY-TGGG-5焊趾附近熱影響區(qū)組織形貌

這是因?yàn)樵嚰啥撕钢焊浇鼌^(qū)域因高溫回火累積時(shí)間不足造成回火不充分[6]，使得首層堆焊在熱影響區(qū)產(chǎn)生內(nèi)馬氏體以及由于熱影響區(qū)內(nèi)的殘余奧氏體分解產(chǎn)生的馬氏體等不良組織未得到完全糾正。而本研究在試件兩端焊趾附近增加補(bǔ)充回火焊道，增加了兩端焊趾附近HAZ高溫回火累積時(shí)間，使得該處的熱影響區(qū)高溫回火徹底，消除不良組織。

3 結(jié)論

（1）首層堆焊會(huì)使SA508-3鋼熱影響區(qū)產(chǎn)生淬火馬氏體轉(zhuǎn)變，同時(shí)殘留一定量的原始奧氏體。

（2）該淬火馬氏體組織和原始奧氏體在隨后的堆焊層焊接熱過程中會(huì)發(fā)生回火轉(zhuǎn)變，并隨焊層的增加，轉(zhuǎn)變效應(yīng)累積，最終熱影響區(qū)的淬火不良組織得以完全糾正。

（3）試件兩端局部不良組織可通過特定工藝焊接予以消除。

[1] 史紹賢，陳麗園，謝明，等.16MnR低合金鋼焊接接頭的組織與力學(xué)性能研究[J].金屬鑄鍛焊技術(shù)，2011，40（15）：131-134.

[2] 張莉莉，張曉勇，郝瑞輝，等．回火焊道熱處理對(duì)X80管線鋼熱影響區(qū)組織性能的影響[J]．熱加工工藝，2008，37（21）：6-9.

[3]崔忠斤.金屬學(xué)與熱處理[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1999.

[4] 王路兵，唐荻，任毅，等.回火對(duì)馬氏體/貝氏體高強(qiáng)復(fù)相鋼組織性能的影響[J].軋鋼，2007（24）：18-22.

[6] 朱平，趙建倉，王淦剛，等.回火焊道對(duì)核電低合金鋼表面鎳基堆焊層熱影響區(qū)性能的影響[J].中國表面工程，2014，27（1）：87-92.

[5] 劉會(huì)杰，閆久春，魏艷紅，等.焊接冶金與焊接性[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007