蒸汽發(fā)生器用SA508Gr.3Cl.2鋼配套焊條J607HR的研制

孫婷婷 王猛 陳波 張學(xué)剛 宋立群

摘要：針對(duì)蒸汽發(fā)生器用SA508Gr.3Cl.2鋼配套焊條大多依賴進(jìn)口的現(xiàn)狀，開展了SA508Gr.3Cl.2鋼配套焊條J607HR的研制工作。結(jié)果表明，通過合理調(diào)整焊條藥皮中的碳酸鹽、氟化物和鐵合金的比例，當(dāng)CaCO3/CaF2為2.0～2.4，總量為58%～62%，鐵合金比例較高時(shí)，能夠獲得良好的工藝性能。焊縫成形美觀，脫渣容易，飛濺小，電弧穩(wěn)定，可以實(shí)現(xiàn)平焊和立焊焊接，并且具有優(yōu)良的力學(xué)性能。

關(guān)鍵詞：蒸汽發(fā)生器;焊條;全位置焊接

中圖分類號(hào)：TG 421

Abstract：Aiming at the current situation that the welding of the steam generator SA508Gr.3Cl.2 steel depends on the imported electrodes， covered electrode J607HR for SA508Gr.3Cl.2 steel was studied.The results shown that properly by adjusting the proportion of carbonate， fluoride and ferroalloy in the coating of the electrode with 2.0-2.4 ratio of CaCO3/CaF2 and 58%-62% total amount， the proportion of the ferroalloy is high， good process performance can be obtained. The weld is beautifully formed， the slag removal is easy， the splash is small， the arc is stable. The flat welding and the vertical welding can be realized. Deposited metal has excellent mechanical properties.

Key words：steam generator;covered electrode;allposition welding

0?前言

蒸汽發(fā)生器[1-2]是核反應(yīng)堆一回路系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備之一，其一次側(cè)為一回路壓力邊界，在服役期間承受高溫、高壓和強(qiáng)放射性，二次側(cè)為核蒸汽產(chǎn)生區(qū)，其承壓部件所用的材料為可靠性較高的SA508Gr.3Cl.2鋼，該鍛件綜合力學(xué)性能優(yōu)良，能夠提高蒸汽發(fā)生器的安全性[3-4]。為確保蒸汽發(fā)生器的順利制造，急需開展SA508Gr.3Cl.2鋼配套焊接材料的研制，來滿足蒸汽發(fā)生器的制造。

SA508Gr.3Cl.2鋼配套焊條長期依賴進(jìn)口，未見國內(nèi)有該焊條研制的相關(guān)報(bào)道，為打破國外對(duì)國內(nèi)核電焊接材料的壟斷，將開展蒸汽發(fā)生器用SA508Gr.3Cl.2鋼配套焊條J607HR的研制攻關(guān)工作。

1?試驗(yàn)要求與方法

1.1?試件制備

熔敷金屬力學(xué)性能試板采用Q235鋼板，在坡口堆焊兩層焊縫金屬的過渡層，坡口形式為45°V形對(duì)接，坡口根部間距為12 mm，試板尺寸400 mm×300 mm×20 mm。進(jìn)行平焊位置焊接，具體焊接工藝參數(shù)見表1。力學(xué)性能試驗(yàn)在焊后熱處理態(tài)608 ℃×24 h下進(jìn)行。

1.2?化學(xué)分析

熔敷金屬化學(xué)成分分析按照GB/T 223—1988《鋼鐵及合金化學(xué)分析方法》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，蒸汽發(fā)生器焊接的技術(shù)要求對(duì)焊條熔敷金屬的S，P，B元素含量進(jìn)行了嚴(yán)格的控制，化學(xué)成分要求見表2。

1.3?拉伸和沖擊試驗(yàn)

室溫拉伸試驗(yàn)按照GB/T 2652—2008《焊縫及熔敷金屬拉伸試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，高溫全焊縫金屬拉伸試驗(yàn)按照GB/T 4338—2006《金屬材料高溫拉伸試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，試樣直徑10.0 mm。室溫V形缺口沖擊試驗(yàn)按照GB/T 2650—2008《焊接接頭沖擊試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，試樣尺寸為55 mm×10 mm×10 mm。拉伸試驗(yàn)分別在室溫和350 ℃下進(jìn)行，沖擊試驗(yàn)分別在室溫和-10 ℃下進(jìn)行，熔敷金屬力學(xué)性能要求見表3。

1.4?彎曲和落錘試驗(yàn)

彎曲試驗(yàn)按照GB/T 2653—2008《焊接接頭彎曲試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，取2個(gè)側(cè)彎試樣，試樣尺寸為200 mm×20 mm×10 mm。試驗(yàn)要求：試樣拉伸面上無明顯開裂，單個(gè)裂紋、表面氣孔和夾渣的長度≤3 mm。

落錘試驗(yàn)按照NB/T 20004—2014《核電廠核島機(jī)械設(shè)備材料理化檢驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。試樣采用P3型，試樣縱軸應(yīng)垂直于焊縫，試樣的缺口底部應(yīng)平行于試樣的表面，并位于試件焊縫的心軸線上。試驗(yàn)要求：試驗(yàn)溫度-10 ℃下不斷裂。

1.5?擴(kuò)散氫和金相試驗(yàn)

水銀法擴(kuò)散氫按照GB/T 3965—2012《熔敷金屬擴(kuò)散氫測定方法》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，試驗(yàn)要求：熔敷金屬擴(kuò)散氫含量≤5 mL/100 g（水銀法）。

金相試樣經(jīng)特定溶液腐蝕后，采用光學(xué)金相顯微鏡拍攝照片進(jìn)行觀察研究。

2?試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1?焊條的工藝性能

以CaCO3CaF2TiO2SiO2渣系為基礎(chǔ)，該渣系含有較多的大理石、螢石和鐵合金，從而降低了焊縫中氫和氧的含量，堿性渣系有利于提高熔敷金屬的沖擊韌性[5]。通過調(diào)整焊條藥皮中碳酸鹽、氟化物和鐵合金的比例，使熔渣具有合適的粘度和表面張力，改善了藥皮熔化的均勻性、電弧穩(wěn)定性，提高了焊條立焊的工藝性能。試驗(yàn)結(jié)果表明，CaCO3/CaF2為2.0～2.4，含量為58%～62%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為宜，較高的鐵合金能夠改善焊條藥皮熔化的均勻性。

研制焊條工藝性能良好，主要表現(xiàn)在：焊縫成形美觀，表面有金屬光澤，波紋均勻，脫渣容易，不粘渣，飛濺小，電弧穩(wěn)定，電弧吹力合適，能夠適合平焊和立焊的操作要求。圖1為J607HR焊條焊道形貌。

2.2?Mn，Si元素對(duì)熔敷金屬力學(xué)性能的影響

2.2.1?Mn元素對(duì)熔敷金屬力學(xué)性能的影響

研究了Mn元素對(duì)熔敷金屬抗拉強(qiáng)度和-10 ℃沖擊吸收能量的影響。

圖2為Mn元素對(duì)熔敷金屬抗拉強(qiáng)度和-10 ℃低溫沖擊吸收能量的影響。熔敷金屬的抗拉強(qiáng)度隨著Mn含量的增加而增加;當(dāng)Mn含量在1.54%～1.77%時(shí)，隨著Mn含量的增加，熔敷金屬的-10 ℃沖擊吸收能量下降明顯;當(dāng)Mn含量在1.77%～2.02%時(shí)，隨著Mn含量的增加，熔敷金屬的-10 ℃沖擊吸收能量下降比較平緩。

從圖2可以看出，隨著Mn含量的增加，熔敷金屬的抗拉強(qiáng)度明顯增加，而低溫沖擊吸收能量先明顯下降，后又平緩下降，這是因?yàn)镸n元素是奧氏體化元素，能夠擴(kuò)大穩(wěn)定奧氏體相區(qū)，推遲二次相變溫度，同時(shí)還具有一定的細(xì)化二次組織的作用。當(dāng)Mn含量在1.54%～1.77%時(shí)，二次轉(zhuǎn)變溫度相對(duì)較低，先共析鐵素體量較少，針狀鐵素體量較多，組織較細(xì)，在該成分范圍內(nèi)組織差異不大，因此低溫沖擊吸收能量變化不大，但當(dāng)Mn含量繼續(xù)增加時(shí)，二次組織轉(zhuǎn)變?yōu)檩^細(xì)的貝氏體+少量鐵素體，熔敷金屬強(qiáng)度明顯增加，沖擊吸收能量降低。

2.2.2?Si元素對(duì)熔敷金屬力學(xué)性能的影響

研究了Si元素對(duì)熔敷金屬抗拉強(qiáng)度和-10 ℃沖擊吸收能量的影響。

圖3為Si元素對(duì)熔敷金屬抗拉強(qiáng)度和-10 ℃低溫沖擊韌性的影響。熔敷金屬的抗拉強(qiáng)度隨著Si含量（Si含量在0.26%～0.56%）的增加而增加;熔敷金屬的-10 ℃沖擊吸收能量隨著Si含量的增加而明顯下降。

從圖3可以看出，隨著Si含量的增加，熔敷金屬的抗拉強(qiáng)度明顯增加，而低溫沖擊吸收能量明顯下降，這是因?yàn)镾i元素起到脫氧作用，同時(shí)與其它元素形成的復(fù)合氧化物又為針狀鐵素體提供形核基礎(chǔ)，隨著Si含量的增加，焊縫金屬中含氧量減少，針狀鐵素體數(shù)量增加且細(xì)化，使得熔敷金屬的抗拉強(qiáng)度明顯增加;另一方面，隨著Si元素的增加也會(huì)促進(jìn)先共析鐵素體的形成，這是造成低溫沖擊吸收能量明顯下降的原因。

2.3?熔敷金屬化學(xué)成分及力學(xué)性能

通過優(yōu)化熔敷金屬的化學(xué)成分，研制的J607HR焊條滿足技術(shù)條件要求，熔敷金屬的化學(xué)成分和力學(xué)性能結(jié)果分別見表4和表5?？紤]到脫氧問題，Si含量沒有設(shè)置到下限值;室溫和350 ℃的抗拉強(qiáng)度的數(shù)值都較高，遠(yuǎn)大于技術(shù)條件要求，但是室溫?cái)嗪笊扉L率為23%，僅比技術(shù)條件要求高3%;室溫和-10 ℃沖擊吸收能量都較大，都比技術(shù)條件要求高80 J以上。側(cè)彎試驗(yàn)結(jié)果合格，表面無開裂，如圖4所示。在溫度為-10 ℃下進(jìn)行落錘試驗(yàn)，未斷裂，如圖5所示。

2.4?熔敷金屬擴(kuò)散氫及金相組織

嚴(yán)格控制原材料的氫的來源，并且通過調(diào)整配方比例來降氫，研制的J607HR焊條熔敷金屬擴(kuò)散氫含量3.0 mL/100 g（水銀法），滿足技術(shù)條件小于5.0 mL/100 g（水銀法）的要求。

圖6為熔覆金屬微觀組織形貌，其組織為先共析鐵素體+針狀鐵素體+貝氏體，呈柱狀晶特征。

3?應(yīng)用情況

2017年，哈爾濱威爾焊接有限責(zé)任公司開始為上海某企業(yè)提供蒸汽發(fā)生器用SA508Gr.3Cl.2鋼配套焊條J607HR，產(chǎn)品通過了該企業(yè)的焊接工藝評(píng)定。

4?結(jié)論

（1）J607HR焊條熔敷金屬的抗拉強(qiáng)度和沖擊吸收能量都遠(yuǎn)大于技術(shù)條件要求，側(cè)彎試驗(yàn)未發(fā)現(xiàn)裂紋，-10 ℃落錘試驗(yàn)未斷裂，擴(kuò)散氫含量很低，微觀組織以針狀鐵素體為主，還有少量先共析鐵素體和貝氏體。

（2）J607HR焊條工藝性能優(yōu)良，能夠?qū)崿F(xiàn)平焊和立焊位置焊接;通過調(diào)整熔敷金屬中的Mn，Si元素含量，并合理控制合金元素含量，獲得了優(yōu)良的力學(xué)性能。

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