核電用EQ309L不銹鋼帶極埋弧堆焊材料的研制

鄒力維 沈天闊 馮偉 陳波 徐鍇

摘要：通過合理調(diào)整EQ309L熔敷金屬的鐵素體含量，提高了長時(shí)間熱處理后熔敷金屬的斷后伸長率;對(duì)EQ309L焊帶進(jìn)行控氮處理，解決了室溫抗拉強(qiáng)度不能穩(wěn)定大于等于520 MPa的難題;通過改變焊劑中碳酸鹽、硅酸鹽及氟化物的比例改善焊劑工藝性能，解決了表面壓痕和粘渣問題。研制出的EQ309L不銹鋼帶極埋弧堆焊材料WEQ309HR焊帶和WSJ309HR燒結(jié)焊劑，其各項(xiàng)性能均滿足核電設(shè)備制造的要求。同時(shí)研究了焊接熱輸入、焊接電流和焊接速度對(duì)EQ309L熔敷金屬性能的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)該套材料具有非常寬泛的工藝參數(shù)適用性。

關(guān)鍵詞：帶極埋弧堆焊;斷后伸長率;抗拉強(qiáng)度

中圖分類號(hào)：TG421 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? 文章編號(hào)：1001-2003（2021）06-0092-06

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.06.17

0 ? ?前言

核電用EQ309L不銹鋼帶極埋弧堆焊材料主要用于核反應(yīng)堆壓力容器、蒸汽發(fā)生器、穩(wěn)壓器及某些主泵殼體等低合金鋼表面過渡層的堆焊[1-2]。作為過渡層，EQ309L在第一代和第二代核電技術(shù)中僅進(jìn)行側(cè)彎性能考核。而第三代核電AP1000將其強(qiáng)度性能也列入考核，要求熔敷金屬經(jīng)過608 ℃×

40 h熱處理后，斷后伸長率不小于18%，室溫抗拉強(qiáng)度不小于520 MPa。該套材料斷后伸長率為5%～

15%，室溫抗拉強(qiáng)度為470～530 MPa。

針對(duì)斷后伸長率問題，焊接工作者對(duì)309L帶極埋弧堆焊材料和焊條進(jìn)行了研究[3-5]。顧佳磊[3]等人研究發(fā)現(xiàn)，焊后熱處理保溫時(shí)間對(duì)309L焊縫金屬的力學(xué)性能影響很大，當(dāng)保溫時(shí)間超過24 h時(shí)，斷后伸長率嚴(yán)重降低。黃逸峰[4]等人研究發(fā)現(xiàn)，鐵素體含量對(duì)長時(shí)間熱處理后焊條的斷后伸長率影響很大。高鐵素體含量的焊條經(jīng)過40 h熱處理后斷后伸長率從焊態(tài)的41%降到6%;而低鐵素體含量的焊條經(jīng)過40 h熱處理后斷后伸長率變化很小。EQ309L熔敷金屬斷后伸長率低是長時(shí)間熱處理后韌性δ-Fe轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈驭蚁嗨?，解決方法是對(duì)熔敷金屬鐵素體含量進(jìn)行優(yōu)化。

EQ309L室溫抗拉強(qiáng)度低主要是由于焊帶中無特殊加入強(qiáng)化元素所致，可通過在焊帶中加入合適的強(qiáng)化元素來解決。在不銹鋼強(qiáng)化元素方面，K. J. Irvine[6]較為全面地總結(jié)了18-8型不銹鋼中各合金元素強(qiáng)化效應(yīng)，其中間隙型原子C、N對(duì)強(qiáng)化的貢獻(xiàn)遠(yuǎn)大于其他原子。C、N含量的增加能顯著提高奧氏體不銹鋼強(qiáng)度，每增加0.1%的N含量，強(qiáng)度Rm可提高107 MPa[7]。但提高C含量會(huì)降低奧氏體不銹鋼的抗晶間腐蝕性能，而提高N含量很少見到Cr2N的析出，因此EQ309L焊帶理想的強(qiáng)化元素為N元素。

文中通過優(yōu)化EQ309L熔敷金屬的鐵素體含量，對(duì)焊帶進(jìn)行控氮處理，以及改變焊劑配方中碳酸鹽、硅酸鹽及氟化物的比例，研制出符合第三代核電AP1000技術(shù)要求的EQ309L帶極埋弧堆焊材料，并研究不同焊接熱輸入、焊接電流和焊接速度對(duì)EQ309L熔敷金屬拉伸性能的影響。

1 焊材研制及試驗(yàn)方法

1.1 焊帶的研制

通過優(yōu)化熔敷金屬鐵素體含量及EQ309L焊帶中加入強(qiáng)化元素N，可以解決斷后伸長率和室溫抗拉強(qiáng)度低的問題，但需要找到最優(yōu)控制范圍。

在優(yōu)化鐵素體含量方面，經(jīng)過一系列試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，將EQ309L熔敷金屬鐵素體含量控制在5～11 FN（Ferrite Number）時(shí)，608 ℃×40 h熱處理態(tài)斷后伸長率不小于18%。當(dāng)鐵素體含量在5～7 FN時(shí)，組合堆焊（EQ309L+EQ308L）中側(cè)彎性能不合格。因此，將EQ309L熔敷金屬鐵素體含量控制在7～11 FN。

在加入強(qiáng)化元素N方面，經(jīng)過一系列試驗(yàn)驗(yàn)證，EQ309L熔敷金屬N元素含量控制在0.06%～0.13%時(shí)，室溫抗拉強(qiáng)度穩(wěn)定大于等于520 MPa。由于帶極埋弧堆焊方法可很好地保護(hù)熔池，空氣中的N元素很難進(jìn)入熔池，因此焊帶加入N元素含量與熔敷金屬N元素含量控制相同。

為保證核電焊材的質(zhì)量穩(wěn)定性，帶極堆焊材料的主要合金元素從焊帶過渡，由于在焊帶中加入強(qiáng)化元素N后對(duì)鐵素體含量會(huì)產(chǎn)生很大影響，所以需要對(duì)焊帶其他元素的含量進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。其中主合金元素調(diào)整如下：鐵素體形成元素Cr含量要適當(dāng)降低，控制在下限23%～24%，奧氏體形成元素Ni含量要適當(dāng)提高，控制在中上限12.5%～14.0%。

其他元素調(diào)整如下：C是影響不銹鋼耐晶間腐蝕的重要元素，控制C含量為0.01%～0.02%;S和P等有害元素會(huì)增加堆焊金屬熱裂紋的敏感性，控制S含量≤0.008%，P含量≤0.015%;Si在凝固時(shí)會(huì)發(fā)生偏析形成低熔點(diǎn)共晶組分，控制Si含量為0.3%～0.5%;Mn是防止形成Fe-S低熔點(diǎn)共晶而導(dǎo)致凝固裂紋的重要元素，足夠的Mn可以形成穩(wěn)定的MnS，控制Mn含量為1.5%～2.0%。

經(jīng)過冶煉試制、試驗(yàn)驗(yàn)證，最終確定EQ309L焊帶的化學(xué)成分范圍和焊帶牌號(hào)，化學(xué)成分范圍見表1，焊帶牌號(hào)為WEQ309HR。

1.2 焊劑的研制

在EQ309L焊帶中提高N元素含量，原配方焊劑在堆焊過程中極易產(chǎn)生壓痕和粘渣現(xiàn)象，因此需要對(duì)焊劑進(jìn)行重新開發(fā)。

針對(duì)堆焊過程中產(chǎn)生的壓痕現(xiàn)象，在焊劑配方中降低產(chǎn)生氣體的碳酸鹽比例，增加提高流動(dòng)性的氟化物比例;同時(shí)針對(duì)堆焊過程中產(chǎn)生的粘渣現(xiàn)象，在焊劑配方中降低易產(chǎn)生粘渣的硅酸鹽比例。經(jīng)過試驗(yàn)，解決了堆焊過程中的壓痕和粘渣問題，開發(fā)出新的焊劑配方，確定了新的焊劑牌號(hào)，焊劑配方見表2，新焊劑牌號(hào)為WSJ309HR。

1.3 技術(shù)要求

核電焊材采購技術(shù)要求對(duì)EQ309L焊帶及熔敷金屬化學(xué)成分有嚴(yán)格要求，見表3;熔敷金屬鐵素體含量要求5～15 FN;熔敷金屬室溫拉伸性能要求見表4。

1.4 試驗(yàn)方法

按照ASTM A751-2001《鋼產(chǎn)品化學(xué)分析的試驗(yàn)方法、規(guī)程和術(shù)語》進(jìn)行化學(xué)成分分析，按照AWSB4.0M 《焊縫機(jī)械試驗(yàn)法》進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，按照WRC-92圖和磁性法進(jìn)行鐵素體含量測定。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 焊劑性能

2.1.1 焊劑工藝性能

母材為A508-Ⅲ鋼，厚度40 mm，試板整體預(yù)熱121～177 ℃。焊接設(shè)備采用林肯DC-1500電源及林肯NA-3N控制系統(tǒng)。焊接方法為帶極埋弧堆焊，不銹鋼焊帶WEQ309HR規(guī)格為0.5 mm×60 mm，配合埋弧焊劑WSJ309HR進(jìn)行堆焊，堆焊工藝參數(shù)見表5中第2種。堆焊層形貌如圖1所示，堆焊層橫截面形貌如圖2所示。

WEQ309HR不銹鋼焊帶配合WSJ309HR埋弧焊劑在表5參數(shù)下進(jìn)行堆焊時(shí)，堆焊過程穩(wěn)定，脫渣性良好、不粘渣、無壓痕、飛濺小，同時(shí)焊道表面平整光潔，道間搭接熔合良好，整體工藝性能優(yōu)良。堆焊一層4道后，測量焊道厚度為3.5 mm，焊道寬度為63 mm。

2.1.2 焊劑的冶金性能

焊帶WEQ309HR與焊劑WSJ309HR匹配進(jìn)行帶極埋弧堆焊時(shí)，對(duì)熔敷金屬C、Si、Mn、S、P、Cr、Ni七種元素過渡特性進(jìn)行檢測，結(jié)果見表6。由表6可知，焊劑WSJ309HR具有優(yōu)異的冶金性能，有益合金元素Cr、Ni的燒損少，C、S、P等元素增量少。

2.2 熔敷金屬化學(xué)成分、鐵素體含量及力學(xué)性能

WEQ309HR焊帶及熔敷金屬化學(xué)成分見表7所示，熔敷金屬拉伸性能見表8，采用WRC-92圖和磁性法測定焊態(tài)熔敷金屬的δ鐵素體含量分別為9.5 FN、8.5 FN，滿足技術(shù)要求。

由表7可知，WEQ309HR焊帶、熔敷金屬化學(xué)成分均滿足表3的要求。由表8可知，WEQ309HR熔敷金屬焊態(tài)及608 ℃×40 h熱處理態(tài)的室溫抗拉強(qiáng)度均大于等于520 MPa，熱處理后斷后伸長率均大于等于35%。說明通過優(yōu)化核電EQ309L不銹鋼帶極埋弧堆焊材料的鐵素體含量及控氮處理，解決了熔敷金屬長時(shí)間熱處理后斷后伸長率過低以及室溫抗拉強(qiáng)度不能穩(wěn)定大于等于520 MPa的難題。

2.3 熔敷金屬顯微組織

不同鐵素體含量下焊態(tài)及熱處理態(tài)顯微組織如圖3、圖4所示?？梢钥闯?，當(dāng)實(shí)測鐵素體含量為8.5 FN時(shí)，WEQ309HR熔敷金屬焊態(tài)和熱處理態(tài)顯微組織均為奧氏體和δ-鐵素體，熱處理態(tài)δ-鐵素體分解較少;當(dāng)實(shí)測鐵素體含量為17 FN時(shí)，WEQ309HR熔敷金屬焊態(tài)和熱處理態(tài)微觀組織均為奧氏體和δ-鐵素體，熱處理態(tài)大部分δ-鐵素體發(fā)生了分解。

結(jié)果表明，新研制WEQ309HR帶極堆焊材料鐵素體含量控制合理，熔敷金屬熱處理后韌性δ-鐵素體轉(zhuǎn)化為脆性σ相少，斷后伸長率得到了保障。

3 不同工藝參數(shù)對(duì)EQ309L性能影響

3.1 焊接熱輸入對(duì)EQ309L拉伸性能的影響

采用表5所示的4種焊接工藝參數(shù)研究焊接熱輸入分別為5.32 kJ/mm、8.36 kJ/mm、11.70 kJ/mm和14.82 kJ/mm時(shí)熔敷金屬608 ℃×40 h熱處理態(tài)室溫拉伸性能及顯微組織。焊接熱輸入對(duì)抗拉強(qiáng)度、斷后伸長率的影響如圖5、圖6所示，不同熱輸入下熔敷金屬熱處理態(tài)顯微組織如圖7所示。

結(jié)果表明，隨著焊接熱輸入的增加，抗拉強(qiáng)度呈下降趨勢，斷后伸長率變化較小;焊接熱輸入為5.32～14.82 kJ/mm時(shí)，EQ309L熔敷金屬力學(xué)性能均滿足技術(shù)要求。由圖7可知，隨著焊接熱輸入的增加，顯微組織中奧氏體及δ-鐵素體越來越粗大，且δ-鐵素體區(qū)域形態(tài)完整，均未發(fā)生明顯分解。

3.2 焊接電流對(duì)EQ309L拉伸性能的影響

在焊接電壓和焊接速度不變的前提下，研究650 A、750 A、1 050 A三種不同電流對(duì)EQ309L熔敷金屬608 ℃×40 h熱處理態(tài)室溫拉伸性能的影響。

由圖8、圖9可知，隨著焊接電流的增加，抗拉強(qiáng)度和斷后伸長率呈下降趨勢;電流為650～1 050 A時(shí)，EQ309L熔敷金屬強(qiáng)度性能均滿足技術(shù)要求。

3.3 焊接速度對(duì)EQ309L拉伸性能的影響

在焊接電流、焊接電壓不變的前提下，研究100 mm/min、140 mm/min和220 mm/min三種焊接速度對(duì)EQ309L熔敷金屬608 ℃×40 h熱處理態(tài)室溫拉伸性能的影響。

由圖10、圖11可知，隨著焊接速度的提高，抗拉強(qiáng)度呈上升趨勢，斷后伸長率呈下降趨勢;焊接速度在100～220 mm/min變動(dòng)時(shí)，EQ309L熔敷金屬強(qiáng)度性能均滿足技術(shù)要求。

4 結(jié)論

（1）EQ309L焊帶N含量控制在0.06%～0.13%，熔敷金屬鐵素體含量控制在7～11 FN，可解決室溫抗拉強(qiáng)度不能穩(wěn)定大于等于520 MPa以及608 ℃×

40 h熱處理態(tài)斷后伸長率低于18%的難題。

（2）EQ309L焊帶匹配焊劑通過優(yōu)化氟化物，碳酸鹽和硅酸鹽的配比，解決了因焊帶N含量高導(dǎo)致的壓痕和粘渣問題，且具有良好的工藝性能。

（3）新研制核電用不銹鋼焊帶WEQ309HR及埋弧焊劑WSJ309HR，熔敷金屬各項(xiàng)性能合格，滿足核電設(shè)備制造的要求。

（4）隨著焊接熱輸入、焊接電流和焊接速度的變化，EQ309L熔敷金屬雖顯微組織變化大，但拉伸性能變化小，拉伸性能滿足技術(shù)要求，表明新研制材料具有非常寬泛的工藝參數(shù)適用性。

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