核電用SA508 Gr.3 Cl.1鋼窄間隙埋弧焊劑的研制

曾志超 ，張曉柏 ，毛興貴 ，黃逸峰 ，楊 飛 ，徐曉龍 ，余 燕

（1.四川大西洋焊接材料股份有限公司，四川自貢643010；2.上海核工程研究設(shè)計院，上海200233）

0 前言

近年來，隨著核反應(yīng)堆功率的不斷增大、核電安全等級的進(jìn)一步提升，對反應(yīng)堆壓力容器等核一級設(shè)備的綜合性能提出了更高要求。SA508 Gr.3 Cl.1鋼焊接性能優(yōu)良，高溫強(qiáng)度和抗疲勞強(qiáng)度高，低溫沖擊韌性好，抗中子輻照性能優(yōu)異，作為主要承壓材料廣泛用于三代及三代加核電的反應(yīng)堆壓力容器堆芯、筒體等關(guān)鍵部位[1-3]。核一級設(shè)備壁厚一般為140～250 mm，目前主要采用窄間隙埋弧焊工藝，可減小焊接過程所需熱量，降低焊接變形和殘余應(yīng)力，提高生產(chǎn)效率、降低成本。

潘川、田志凌等人研制了核二級設(shè)備用20MnHR鋼配套埋弧焊絲H08MnNiMoA、焊劑105HR，并用于秦山核電二期[4]。長期處于強(qiáng)輻照區(qū)的焊縫金屬中Cu、Ni、P、Co等元素對材料的抗輻照脆化能力產(chǎn)生不利影響[5]，故應(yīng)嚴(yán)格限制Cu、P等微量雜質(zhì)元素含量，熔敷金屬w（Ni）通常不大于0.8%。薛松柏等人認(rèn)為采用高堿度的燒結(jié)焊劑可使熔敷金屬的O、S、P等雜質(zhì)元素與擴(kuò)散氫含量較低，有利于低溫沖擊韌性與抗裂性[6-8]。

目前用于核一級設(shè)備制造和安裝的關(guān)鍵焊材仍主要由國外制造商供貨，國產(chǎn)核級焊材在產(chǎn)品性能和穩(wěn)定性方面仍存在一定差距，主要體現(xiàn)在產(chǎn)品焊接范圍窄、力學(xué)性能數(shù)據(jù)波動大、多批次產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性不足等。另一方面，采用進(jìn)口焊材存在供貨周期長、生產(chǎn)過程中溝通和監(jiān)管困難、價格高昂等缺點，成為制約我國核電發(fā)展的瓶頸之一[9]。在此背景下，由國家科技部、能源局等單位發(fā)起，上海核工院牽頭，大西洋作為主要聯(lián)合單位，圍繞核級焊材國產(chǎn)化開展了一系列技術(shù)攻關(guān)，取得了較好的效果。本研究針對核一級設(shè)備用SA508 Gr.3 Cl.1鋼，采用研制的窄間隙埋弧焊劑與配套埋弧焊絲在較寬的焊接參數(shù)范圍內(nèi)焊接，比較分析工藝性能和力學(xué)性能的變化。

1 試驗材料與方法

采用研制的燒結(jié)焊劑CHF112HRF配合埋弧焊絲CHW-S55HRF（規(guī)格φ4.0）組合焊接，焊劑為高堿度氟堿型CaF2-MgO-CaO-Al2O3渣系（BIIW=2.8），焊絲和焊劑化學(xué)成分如表1、表2所示。根據(jù)核電裝備制造埋弧焊常用參數(shù)，在母材SA508 Gr.3 Cl.1（δ=20 mm）表面平焊，分別研究焊接電流、焊接速度在較寬范圍內(nèi)變化時對焊接工藝性能的影響，焊接參數(shù)如表3所示。

表1 埋弧焊絲化學(xué)成份%

表2 燒結(jié)焊劑主要化學(xué)成分 %

表3 焊接工藝性能試驗焊接參數(shù)

采用常規(guī)焊接參數(shù)按照ASME第Ⅱ卷C篇的要求焊接試板，坡口示意如圖1所示，常規(guī)焊接參數(shù)如表4所示。焊接完成后對試板進(jìn)行去氫處理，熱處理參數(shù)：350℃、保溫4 h，再對試板進(jìn)行去應(yīng)力熱處理，熱處理參數(shù)：607℃、保溫40 h，進(jìn)出爐溫度低于425℃，溫度在425℃以上時升降溫速率不得超過55℃/h。使用光電直讀光譜儀SPECTROLAB M10分析熔敷金屬化學(xué)成分，采用水銀法擴(kuò)散氫測定儀MF-1測定熔敷金屬擴(kuò)散氫含量，測試熱處理態(tài)熔敷金屬的室溫拉伸、350℃高溫拉伸性能、低溫沖擊韌性，分析微觀組織，同時分別研究焊接電流、焊接速度、道間溫度在較寬范圍內(nèi)變化時對熱處理態(tài)熔敷金屬力學(xué)性能的影響。

圖1 焊接試板坡口示意

表4 試板焊接常規(guī)參數(shù)

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 焊接工藝性能

通過調(diào)整熔渣粘度、表面張力、熔點等，獲得了堿度高且焊接工藝性能良好的焊劑配方。按照表3中焊接參數(shù)，當(dāng)焊接電流、焊接速度等參數(shù)在較寬范圍內(nèi)變化時，渣殼均能自動脫落，焊縫表面光亮、成形美觀，焊縫與母材過渡平滑，大規(guī)范焊接時焊縫表面形貌如圖2所示。

圖2 大規(guī)范焊接時焊縫成形與脫渣（I=620 A，線能量28.6 kJ/cm）

2.2 熔敷金屬化學(xué)成分與擴(kuò)散氫含量

熔敷金屬的 S、P、Sn、As、B、Cu、Co等雜質(zhì)元素含量較低，實現(xiàn)了較窄區(qū)間的合金元素成分穩(wěn)定控制，完全滿足NB/T 20009.10中熔敷金屬代號F2G要求，化學(xué)成分如表5所示。按照GB/T 3965-2012熔敷金屬中擴(kuò)散氫測定方法，采用水銀法測定熔敷金屬擴(kuò)散氫含量平均值為2.32 mL/100 g。

2.3 常規(guī)焊接參數(shù)的熔敷金屬力學(xué)性能

采用常規(guī)焊接參數(shù)獲得的熔敷金屬力學(xué)性能見表6，低溫沖擊韌性轉(zhuǎn)變曲線如圖3所示。

表5 熔敷金屬化學(xué)成分 %

表6 熔敷金屬力學(xué)性能

圖3 熱處理態(tài)熔敷金屬低溫沖擊韌性轉(zhuǎn)變曲線

由表6可知，熱處理態(tài)條件下熔敷金屬室溫拉伸、350℃高溫拉伸性能、低溫沖擊韌性均滿足技術(shù)要求，且有較大余量。熱處理態(tài)熔敷金屬低溫沖擊韌性儲備充足，-80℃時低溫沖擊功仍大于80J。

2.4 寬焊接參數(shù)變化與熔敷金屬力學(xué)性能穩(wěn)定性

當(dāng)其他參數(shù)（電壓30 V，焊接速度500 mm/min，道間溫度200℃）一定，焊接電流在500～620 A范圍內(nèi)變化時，熔敷金屬室溫、350℃抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度隨焊接電流的增加總體比較穩(wěn)定；3℃、-30℃沖擊功均值有較大余量，隨焊接電流增加呈增加趨勢。熔敷金屬強(qiáng)度、沖擊韌性隨焊接電流的變化結(jié)果如圖4所示。

熔敷金屬拉伸強(qiáng)度、沖擊韌性隨焊接速度的變化結(jié)果如圖5所示。當(dāng)焊接速度在450～550 mm/min范圍內(nèi)變化，其他焊接參數(shù)（電流560 A，電壓30 V，道間溫度200℃）一定時，熔敷金屬室溫、350℃抗拉強(qiáng)度隨焊接速度的增加小幅增加，屈服強(qiáng)度變化不大；沖擊功隨焊接速度增加呈增加趨勢，均值大于100 J。

當(dāng)?shù)篱g溫度在200～320℃范圍內(nèi)變化，其他參數(shù)（電流560 A，電壓30 V，焊接速度 500 mm/min）一定時，熔敷金屬室溫、350℃抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度隨道間溫度的變化不大；低溫沖擊韌性隨道間溫度增加呈小幅增加趨勢，且有較大余量。道間溫度對熔敷金屬力學(xué)性能的影響如圖6所示。

圖4 焊接電流對熔敷金屬力學(xué)性能影響

圖5 焊接速度對熔敷金屬力學(xué)性能影響

圖6 道間溫度對熔敷金屬力學(xué)性能影響

2.5 熔敷金屬微觀組織

熔敷金屬蓋面層與層間重?zé)釁^(qū)微觀組織形態(tài)如圖7所示。蓋面層與層間重?zé)釁^(qū)組織基本相同，均為粒狀貝氏體+鐵素體組織，其中鐵素體組織以針狀鐵素體（AF）和沿晶界的塊狀先共析鐵素體（PF）為主。多層多道焊接時，相鄰焊層之間彼此具有熱處理作用，多次熱處理的疊加使層間重?zé)釁^(qū)晶粒更細(xì)小。

圖7 埋弧焊材（CHW-S55HRF+CHF112HRF）熔敷金屬微觀組織

3 結(jié)論

（1）研制的窄間隙焊劑配合專用焊絲埋弧焊接，在較寬的焊接電流、焊接速度范圍內(nèi)，具有優(yōu)異的焊接工藝性能。

（2）通過合理的渣系選擇與配方設(shè)計，焊劑在較寬的焊接電流、焊接速度、道間溫度等焊接參數(shù)范圍內(nèi)變化焊接時，熔敷金屬熱處理態(tài)力學(xué)性能均滿足技術(shù)要求，數(shù)值余量大，且波動較小，具有較好的工程實用性。

（3）熔敷金屬微觀組織為粒狀貝氏體+鐵素體。