焊后熱處理時(shí)間對(duì)核電用碳鋼焊條CHE507HR2熔敷金屬性能的影響

2013-08-06 04:34:40陳維富霍玲玲趙建倉(cāng)匡艷軍黃騰飛邱振生

電焊機(jī) 2013年10期

任軍，陳維富，蔣勇，霍玲玲，朱平，趙建倉(cāng) ，匡艷軍，黃騰飛，邱振生

（1.四川大西洋焊接材料股份有限公司，四川自貢 643000；2.蘇州熱工研究院有限公司，江蘇蘇州 215004；3.中廣核工程有限公司，廣東深圳 518124）

0 前言

國(guó)家能源“十二五”規(guī)劃明確提出：新建核電機(jī)組必須符合三代安全標(biāo)準(zhǔn)。隨著國(guó)內(nèi)三代核電機(jī)組的陸續(xù)開工，對(duì)三代核電機(jī)組用焊接材料的需求也與日俱增，核島主設(shè)備重型支撐需用到大量碳鋼焊條，該焊條提出了最長(zhǎng)保溫40 h熱處理態(tài)的性能要求，但因熱處理保溫時(shí)間不同，熔敷金屬力學(xué)性能會(huì)發(fā)生顯著變化。針對(duì)上述要求，采用CaO-SiO2-CaF2堿性渣系，獲得純凈度高的焊縫金屬，采用Mn-Si-Mo系合金系統(tǒng)，獲得良好的力學(xué)性能，成功開發(fā)了用于三代核電機(jī)組的碳鋼焊條CHE507HR2，研制的焊條獲得了良好焊接工藝性能和力學(xué)性能，且在不同熱處理保溫時(shí)間下都能獲得滿足技術(shù)指標(biāo)要求的力學(xué)性能，能夠滿足第三代核電機(jī)組用焊接材料的技術(shù)指標(biāo)。研究核電碳鋼焊條CHE507HR2在不同熱處理保溫時(shí)間下的力學(xué)性能，對(duì)該焊條在三代核電機(jī)組主設(shè)備重型支撐的焊接應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)意義。

1 試驗(yàn)方法和設(shè)備

采用焊條CHE507HR2，規(guī)格4.0 mm。依據(jù)GB/T 25774.1的規(guī)定，采用試件類型1.3進(jìn)行熔敷金屬力學(xué)性能試驗(yàn)，母材為Q345鋼，試板尺寸250 mm×150 mm×20 mm，坡口角度為10°，坡口間隙 16 mm（見圖1）。焊接規(guī)范為：焊接電流180 A，焊接電壓為 24～26 V，焊接速度0.2～0.3 cm/s。焊后模擬消應(yīng)熱處理制度為：保溫溫度595℃～625℃，保溫時(shí)間分別為1 h、16 h、40 h，進(jìn)出爐溫度為 300℃，升降溫速度不超過(guò)60℃/h。

圖1 試板拼接與焊接道次安排

采用SPECTROLAB M9型直讀光譜儀進(jìn)行CHE507HR2焊條熔敷金屬化學(xué)成分分析，采用RE-8030萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，采用ZBC-3302-C型擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行低溫沖擊試驗(yàn)和系列沖擊試驗(yàn)，采用ZCJ-2203落錘試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行落錘試驗(yàn)，采用Carl Zeiss光學(xué)顯微鏡對(duì)熔敷金屬的組織進(jìn)行觀察，采用Zeiss EV018型掃描電鏡對(duì)熔敷金屬?zèng)_擊試樣進(jìn)行斷口分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 熔敷金屬化學(xué)成分

CHE507HR2焊條熔敷金屬化學(xué)成分如表1所示，化學(xué)成分滿足設(shè)計(jì)技術(shù)要求。

表1 CHE507HR2熔敷金屬化學(xué)成分%

2.2 熔敷金屬拉伸試驗(yàn)結(jié)果

熔敷金屬拉伸試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。試驗(yàn)結(jié)果顯示，研制的核電碳鋼焊條力學(xué)性能滿足設(shè)計(jì)技術(shù)要求，隨著熱處理保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，熔敷金屬抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度逐漸降低，延伸率有所提高。

表2 室溫熔敷金屬拉伸試驗(yàn)結(jié)果

2.3 熔敷金屬?zèng)_擊試驗(yàn)結(jié)果

上平臺(tái)沖擊試驗(yàn)和落錘試驗(yàn)如表3所示，熔敷金屬?zèng)_擊試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。試驗(yàn)結(jié)果顯示，研制的核電碳鋼焊條沖擊性能滿足設(shè)計(jì)條件的要求，隨著熱處理保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，沖擊吸收能量略有提高，上平臺(tái)沖擊溫度變化不大，TNDT溫度變化不顯著。

表3 室溫熔敷金屬拉伸試驗(yàn)結(jié)果

2.4 熔敷金屬金相組織分析

分析CHE507HR2焊條熔敷金屬試樣金相組織，采用的腐蝕劑為4%硝酸酒精，熔敷金屬組織特征如圖2所示。

表4 熔敷金屬?zèng)_擊試驗(yàn)結(jié)果

圖2 熔敷金屬顯微組織

由圖2a、圖2c、圖2e可知，該碳鋼焊條熔敷金屬的蓋面層為未經(jīng)焊接熱循環(huán)影響的原始組織，組織特征為少量先共析鐵素體與比例達(dá)到95%以上的針狀鐵素體混合組織。由圖2b、圖2d、圖2f可知，焊縫中心組織在隨后的焊接中經(jīng)受焊接熱循環(huán)的影響，組織形態(tài)變?yōu)獒槧铊F素體與粒狀珠光體形成的混合組織，熔敷金屬顯微組織表明，該碳鋼焊條熔敷金屬組織為針狀鐵素體，且組織細(xì)小，具有良好的熔敷金屬組織特征。隨著熱處理保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，碳化物的彌散析出增多，且在一定程度上發(fā)生聚集長(zhǎng)大而粗化。

2.5 熔敷金屬?zèng)_擊試樣斷口分析

對(duì)CHE507HR2焊條熔敷金屬-30℃沖擊試樣進(jìn)行斷口分析，沖擊試樣斷口掃描如圖3所示，對(duì)沖擊試樣的夾雜物分析如圖4所示。

圖3 熔敷金屬?zèng)_擊斷口掃描

圖4 夾雜物成分曲線

在三種熱處理保溫時(shí)間下，宏觀上表現(xiàn)為截面起伏較大，說(shuō)明發(fā)生了較多的塑性變形，從圖3沖擊試樣斷口掃描圖可以看出，微觀斷口具有典型的韌窩特征，密布著大小不同的圓形或橢圓形韌窩，在韌窩底部可以發(fā)現(xiàn)一些細(xì)小的第二相質(zhì)點(diǎn)，能譜分析表明這些質(zhì)點(diǎn)為Mn、Si、Ti的氧化物。

3 分析與討論

通過(guò)采用CaO-SiO2-CaF2堿性渣系，獲得純凈度高的焊縫金屬，通過(guò)原輔材料優(yōu)選將雜質(zhì)元素控制在極低的水平，其熔敷金屬純凈度顯著提升，研發(fā)出核電用碳鋼焊條，實(shí)現(xiàn)了較窄區(qū)間的元素成分控制。熔敷金屬化學(xué)成分控制的主要目的是為獲得大量的針狀鐵素體組織。加入 w（C）=0.05%～0.15%的對(duì)含有 w（Mn）=0.6%～1.8%的焊條電弧焊焊縫組織和性能的影響的研究顯示，C促進(jìn)了針狀鐵素體的形成，抑制了晶界多邊形鐵素體。Mn含量從0.65%增加到1.80%時(shí)，針狀鐵素體的數(shù)量增加，先共析鐵素體和側(cè)板條鐵素體的數(shù)量減少，且針狀鐵素體的晶粒度變得更加細(xì)小。Mo是鐵素體穩(wěn)定元素，控制焊縫中Mo質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于0.45%，Mo質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加能抑制焊縫中塊狀鐵素體，有利于針狀鐵素體形核[1]。通過(guò)控制夾雜物的種類，誘導(dǎo)形核、長(zhǎng)大的夾雜物中心主要為 Mn、Ti、Si的氧化物[2]，有利于針狀鐵素體的形核，使焊縫金屬獲得良好的力學(xué)性能。

從化學(xué)成分、熔敷金屬組織、夾雜物等幾個(gè)方面綜合控制，使焊條獲得良好的力學(xué)性能。在595℃～625℃保溫1 h、16 h、40 h時(shí)間下抗拉強(qiáng)度均滿足技術(shù)條件要求，隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，微觀組織時(shí)效程度增大，碳化物彌散析出增多并逐步粗化，導(dǎo)致強(qiáng)度逐步下降，但1 h和40 h條件下強(qiáng)度與上下限值均有一定的余量，保持較好的工程適用性，與已發(fā)布的壓水堆核電廠用焊接材料第1部分：1、2、3級(jí)設(shè)備用碳鋼焊條標(biāo)準(zhǔn)中要求的強(qiáng)度區(qū)間470～630 MPa相比，三種熱處理恒溫時(shí)間下的強(qiáng)度均能滿足要求，且Rm×A最小值為11704，超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)要求的10500。抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度曲線基本平行（見圖5），表明三種熱處理保溫時(shí)間下熔敷金屬的屈強(qiáng)比無(wú)顯著變化。

圖5 強(qiáng)度隨熱處理時(shí)間的變化趨勢(shì)

從熔敷金屬組織和沖擊斷口掃描可以看出，研制的核電碳鋼焊條具有良好的沖擊韌性。沖擊試驗(yàn)結(jié)果顯示，相比較技術(shù)要求，三種熱處理保溫時(shí)間、兩種試驗(yàn)溫度下，沖擊吸收功均有較大的裕量，表明韌性儲(chǔ)備良好（見圖6）。由圖6可知，熔敷金屬在0℃下的單組沖擊功的3個(gè)單值比較接近，表明該溫度下的沖擊韌性比較均勻，當(dāng)試驗(yàn)溫度降到-30℃時(shí)，單組沖擊韌性波動(dòng)范圍明顯增大，從0℃到-30℃沖擊功均值在三種熱處理狀態(tài)分別下降約50 J，降幅分別為32%、28%、24%，呈現(xiàn)降幅減小的趨勢(shì)。從熔敷金屬金相組織可以看出，隨著熱處理保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，碳化物析出并粗化，基體組織被軟化，使得沖擊韌性提高。斷口掃描顯示隨著熱處理保溫時(shí)間延長(zhǎng)，韌窩的尺寸逐漸減小，尤其是在40 h熱處理狀態(tài)更加明顯，與沖擊韌性實(shí)驗(yàn)結(jié)果存在對(duì)應(yīng)關(guān)系。