核電用不銹鋼帶極電渣堆焊焊帶和焊劑的研制

韓宇 馮偉 鄒小平 鄒力維 陳波

摘要：采用帶極電渣堆焊方法，研制了一種用于核級(jí)的奧氏體不銹鋼焊帶EQ308L。對(duì)材料化學(xué)成分、力學(xué)性能及腐蝕性能進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，該材料焊接工藝性能優(yōu)良，冶金性能良好，熔敷金屬化學(xué)成分和力學(xué)性能穩(wěn)定，而且，具有較寬泛的熱輸入適應(yīng)性。在70.9～187.2 kJ/cm范圍內(nèi)，該材料具有穩(wěn)定的力學(xué)性能及晶間腐蝕性能，滿足核電相關(guān)技術(shù)要求。堆焊層組織以奧氏體+δ-鐵素體為主，呈柱狀晶。

關(guān)鍵詞：核電; EQ308L; 帶極電渣堆焊; 熱輸入

中圖分類號(hào)：TG 448

Abstract：Adopting strip electro-slag welding method，a kind of the stainless steel strip EQ308L for nuclear grade was developd. Chemical composition， mechanical properties and corrosion properties of the materials were studied. The result showed that the material had excellent welding process performance， good metallurgical performance， stable chemical composition and mechanical properties of deposited metal， and had a wide range of heat input adaptability. In the range of 70.9～187.2 kJ/cm， the material had stable mechanical properties and intergranular corrosion performance， and met the technical requirements of nuclear power. The microstructure of the surfacing layer was mainly austenite+δ-ferrite， showing columnar grain.

Key words：nuclear power; EQ308L; strip electro-slag cladding; heat input

0 前言

核電用EQ308L不銹鋼帶極-堆焊材料主要用于核電反應(yīng)堆內(nèi)部所有與一回路水接觸的低合金鋼容器的表面堆焊，如反應(yīng)堆壓力容器、蒸發(fā)器下封頭和穩(wěn)壓器等構(gòu)件[1]。該材料除了對(duì)加工精度、合金設(shè)計(jì)和焊道成形的要求較高外，對(duì)匹配焊劑微量元素的過渡和碳、硫、磷元素的控制要求也較高。同時(shí)，由于該材料受熱輸入的影響較大。通常情況下，該材料的開發(fā)難度較大，帶極堆焊同其它焊接方法相比，具有焊道寬、熔深淺、效率高等優(yōu)點(diǎn)，帶極堆焊方法包括埋弧焊和電渣焊，近年來，國外帶極堆焊技術(shù)已廣泛應(yīng)用到核電領(lǐng)域，在國內(nèi)，核電領(lǐng)域應(yīng)用的埋弧焊較多，電渣焊有應(yīng)用但對(duì)其研究較少，對(duì)比兩種方法，電渣堆焊的工藝性能優(yōu)良，冶金性能良好，熔敷金屬化學(xué)成分和力學(xué)性能穩(wěn)定，因此，文中開展了核電EQ308L帶極電渣堆焊技術(shù)的研究。

1 焊帶、焊劑成分設(shè)計(jì)

1.1 焊帶

資料顯示，C，N原子均可以提高奧氏體不銹鋼強(qiáng)度[2]，但是，C原子是奧氏體不銹鋼引起晶間腐蝕的最主要元素。隨著C含量的增加，奧氏體不銹鋼抗晶間腐蝕能力降低[3]ADDINNE.Ref.{87610EBD-03DB-474E-9B1C-0AE61B513319}。核級(jí)材料不僅要求具有較好的力學(xué)性能，而且還要求具有較好的抗晶間腐蝕能力，文中通過對(duì)EQ308L帶極電渣堆焊材料進(jìn)行控碳控氮處理，保證了EQ308L不銹鋼帶極電渣堆焊材料化學(xué)成分和力學(xué)性能均滿足核電相關(guān)技術(shù)要求，化學(xué)成分見表1。

1.2 焊劑

通過對(duì)基礎(chǔ)電渣焊劑配方的優(yōu)化調(diào)整測(cè)試，最終確定渣系為CaF2-MgO-SiO2-Al2O3。

CaF2是主要造渣劑，同時(shí)，具有脫硫和去氫的作用，由于熔點(diǎn)較低，有助于降低熔渣的粘度，從而有利于熔渣的流動(dòng)性和焊縫成形。MgO可以改善熔渣的堿度、透氣性和表面張力，在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)，焊劑中隨MgO含量的增加，熔渣的膨脹系數(shù)增加，焊道的成形性提高。SiO2有利于焊接工藝性的改善，它能改善熔渣的粘度和表面張力，對(duì)焊道的成形有重要的作用。Al2O3具有優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性，熔點(diǎn)較高，對(duì)脫渣性起顯著作用[4-6]。電渣焊劑WSJ38HR化學(xué)成分見表2。

2 試驗(yàn)過程

帶極電渣堆焊材料選用研制的WEQ308HR焊帶和WSJ38HR焊劑，焊帶規(guī)格0.5 mm×60 mm，焊劑規(guī)格為178～2 000 μm，母材選用300 mm×300 mm×40 mm的A508-Ⅲ鋼板，過渡層選用EQ309L焊帶，電源采用平特性電源林肯DC-1500，控制系統(tǒng)采用林肯NA-3N。采用帶極電渣堆焊，焊前需預(yù)熱試板，預(yù)熱溫度為100～150 ℃。焊接工藝參數(shù)見表3。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 焊劑的工藝性能

WEQ308HR不銹鋼焊帶配合電渣焊劑WSJ38HR進(jìn)行堆焊時(shí)，起弧容易、電弧燃燒穩(wěn)定、無飛濺和煙塵、焊道表面成形美觀、焊道之間搭接處熔合良好、脫渣良好、無咬邊現(xiàn)象、整體焊接工藝性能良好。堆焊后對(duì)焊道厚度和寬度進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量結(jié)果，過渡層厚度為3.2 mm，堆焊層厚度為3.3 mm，焊道寬度為65 mm。焊接工藝性如圖1所示。

3.2 焊劑的冶金性能

堆焊層質(zhì)量與焊劑有著密切關(guān)系。焊劑除了起到焊縫合金穩(wěn)定過渡作用外，還能起到抑制熔敷金屬中C，S，P等有害元素增加的作用。同時(shí)，減少益合金元素Cr，Ni等有益元素的燒損量。文中對(duì)焊帶和熔敷金屬中C，Si，Mn，S，P，Cr，Ni元素進(jìn)行化學(xué)分析對(duì)比，得出了7種元素的過渡特性，見表4。

3.3 焊帶和熔敷金屬化學(xué)成分

焊帶和熔敷金屬化學(xué)成分按照NB/T 20009—2012《壓水堆核電廠用焊接材料》標(biāo)準(zhǔn)中GB/T 223進(jìn)行化學(xué)分析，結(jié)果見表5，從表5中可以看出，焊帶及熔敷金屬化學(xué)成分滿足核電相關(guān)技術(shù)要求。

3.4 不同焊接熱輸入條件下熔敷金屬力學(xué)性能

在焊接電壓不變的條件下，通過對(duì)焊接電流和焊接速度等焊接工藝參數(shù)進(jìn)行了調(diào)整，共設(shè)計(jì)出4種焊接試驗(yàn)方案，研究了不同焊接熱輸入對(duì)熔敷金屬力學(xué)性能的影響規(guī)律，不同焊接試驗(yàn)方案下焊接工藝參數(shù)見表6。

3.4.1 拉伸試驗(yàn)

熔敷金屬室溫拉伸試驗(yàn)按NB/T 20009—2012《壓水堆核電廠用焊接材料》標(biāo)準(zhǔn)中GB/T 2652—2008《焊縫及熔敷金屬拉伸試驗(yàn)方法》執(zhí)行，室溫拉伸試樣直徑為10 cm。4種不同焊接試驗(yàn)方案下的室溫拉伸強(qiáng)度結(jié)果見表7。從表7中可以看出，焊接熱輸入從70.9 kJ/cm增加至187.2 kJ/cm時(shí)，室溫拉伸性能均能很好的滿足核電相關(guān)技術(shù)要求，而且穩(wěn)定性較好。隨著焊接熱輸入的增加，抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度及斷后伸長率呈下降趨勢(shì)，焊接熱輸入對(duì)斷面收縮率的影響較小。

3.4.2 彎曲試驗(yàn)

彎曲試驗(yàn)按GB/T 2653—2008執(zhí)行，D=4a，α=180°要求進(jìn)行，對(duì)焊道分別取橫向大側(cè)彎180 mm×40

mm×10 mm試塊4件，對(duì)試樣進(jìn)行180°冷彎試驗(yàn)后，彎曲部位均未發(fā)現(xiàn)裂紋。結(jié)果表明，將熱輸入從70.9 kJ/cm增加至187.2 kJ/cm時(shí)，堆焊層具有良好的彎曲性能。試樣冷彎后的宏觀照片如圖2所示。

3.4.3 晶間腐蝕試驗(yàn)

晶間腐蝕試驗(yàn)按照NB/T 20009—2012《壓水堆核電廠用焊接材料》標(biāo)準(zhǔn)中GB/T 4334—2008 E法執(zhí)行，對(duì)焊道取80 mm×20 mm×3 mm的試塊4件，經(jīng)16 h硫酸-硫酸銅-銅屑溶液腐蝕后，對(duì)試樣進(jìn)行180°彎曲試驗(yàn)，在顯微鏡下放大后對(duì)彎曲面進(jìn)行觀測(cè)，均未發(fā)現(xiàn)晶間腐蝕傾向。結(jié)果表明，將熱輸入從70.9 kJ/cm增加至187.2 kJ/cm時(shí)，耐蝕層具有良好的晶間腐蝕性。

3.4.4 金相試驗(yàn)

從方案2和方案3中各選取焊縫橫向截面上顯微試樣1件，經(jīng)拋光、腐蝕后，在金相顯微鏡下放大后進(jìn)行微觀組織觀察，焊縫金相形貌如圖3和圖4所示。

從圖3和圖4中可以看出，堆焊層組織均為奧氏體+δ鐵素體了，呈柱狀晶，未發(fā)現(xiàn)微觀裂紋。結(jié)果表明，隨著熱輸入增加，奧氏體晶粒出現(xiàn)明顯的長大趨勢(shì)，原因在于隨熱輸入的增加，高溫停留時(shí)間隨之增加，導(dǎo)致奧氏體晶粒長大。除此之外，金屬原子的擴(kuò)散速度會(huì)隨著峰值溫度的增加而加快，C，N等元素會(huì)降低γ-Fe原子間的結(jié)合力，使鐵元素自擴(kuò)散速度增加，從而使奧氏體晶粒長大[7-8]ADDINNE.Ref.{B95D902E-0E0B-402B-BB15-36CD3914F9D2}。

4 結(jié)論

（1）新研制的核級(jí)不銹鋼焊帶WEQ308HR配合電渣焊劑WSJ38HR焊接，工藝性能良好、焊道成形光滑平整、脫渣良好，焊劑具有較好的工藝性能和冶金性能。

（2）新研制的電渣堆焊材料通過控碳控氮處理，解決了室溫抗拉強(qiáng)度不能穩(wěn)定≥520 MPa的難題。

（3）新研制的焊帶具有較寬泛的熱輸入適應(yīng)性，在焊接熱輸入70.9～187.2 kJ/cm范圍內(nèi)，熔敷金屬化學(xué)成分及力學(xué)性能穩(wěn)定，滿足核電相關(guān)技術(shù)要求。

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