宋怡漾，王　理，蘆麗莉，潘曉冬，葉義海，王　建

（中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院四所，四川成都610041）

基于A508/ER347鋼的不銹鋼堆焊層組織分析

宋怡漾，王理，蘆麗莉，潘曉冬，葉義海，王建

（中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院四所，四川成都610041）

選取三種不同化學(xué)成分的不銹鋼焊材，在帶有不銹鋼覆層的合金鋼上，采用手工氬弧堆焊工藝依次進(jìn)行三種不銹鋼堆焊層的堆焊試驗(yàn)。采用光學(xué)顯微鏡、鐵素體測(cè)試儀及顯微硬度計(jì)對(duì)三種堆焊層分別進(jìn)行組織檢查、鐵素體檢測(cè)以及硬度測(cè)試，結(jié)果表明，缺陷發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)最大的堆焊層區(qū)域的組織、硬度及鐵素體含量正常；采用高Ni不銹鋼焊材焊接的堆焊層的組織形貌、顯微硬度及能譜分析結(jié)果均支持熔合區(qū)存在部分馬氏體轉(zhuǎn)變或一定量的碳化物，且焊層間出現(xiàn)了再熱裂紋；采用奧氏體不銹鋼焊材堆焊的堆焊層的宏微觀組織、顯微硬度及鐵素體含量均正常?？偨Y(jié)了堆焊工藝的關(guān)鍵控制要點(diǎn)。對(duì)核電設(shè)備維修中類似組合材料的堆焊工藝應(yīng)用具有指導(dǎo)作用及參考意義。

低合金鋼；不銹鋼；堆焊；馬氏體；碳化物

0　前言

隨著我國(guó)核電規(guī)模的日趨擴(kuò)大，旨在厚膜改質(zhì)或修覆表面缺陷堆焊工藝的應(yīng)用越來(lái)越多。典型應(yīng)用之一是以A508系為代表的低合金鋼以其強(qiáng)度高、價(jià)格低等優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)用于制造反應(yīng)堆壓力容器、穩(wěn)壓器和蒸汽發(fā)生器的殼體等。在進(jìn)行容器殼體與不銹鋼管道連接時(shí)，為了保證組織和性能的平穩(wěn)過(guò)渡，通常都需要在低合金鋼上堆焊不銹鋼或鎳基合金作為過(guò)渡、隔離或保護(hù)層后再與不銹鋼管道進(jìn)行對(duì)接焊接，如圖1所示。

在A508系低合金鋼側(cè)直接堆焊不銹鋼時(shí)因基體和材料的成分、組織和性能差異性大，堆焊后會(huì)產(chǎn)生焊縫稀釋及馬氏體形成、熔合線附近成分顯著變化、C擴(kuò)散和內(nèi)應(yīng)力等一系列問(wèn)題。這些問(wèn)題帶來(lái)的后果是：作為核安全一級(jí)部件，在長(zhǎng)期的運(yùn)行期間受高溫、高壓、中子輻照及高低溫疲勞載荷作用下，將產(chǎn)生很大的安全風(fēng)險(xiǎn)。鑒于此，在有合金鋼與其他材料（多數(shù)是不銹鋼）連接需求時(shí)，必須先通過(guò)堆焊不銹鋼或鎳基的堆焊層作為隔離、過(guò)渡或保護(hù)。然而在不同需求時(shí)，所需的堆焊層材料和工藝會(huì)有所不同。本研究在帶有不銹鋼覆層的合金鋼上堆焊不同Cr、Ni成分不銹鋼焊層的組織及性能，并掌握其堆焊工藝的關(guān)鍵控制要點(diǎn)，可為在核電設(shè)備維修中類似組合材料的堆焊工藝應(yīng)用起到指導(dǎo)及參考作用。

圖1　典型PWR壓力容器管嘴部分示意

1　試驗(yàn)材料和試驗(yàn)方法

堆焊母材為復(fù)合鋼板（基體508-Ⅲ/覆層ER347），堆焊焊材選用三種不同化學(xué)成分的不銹鋼焊絲（主要是Cr、Ni含量不同），焊絲成分如表1所示。

表1　堆焊層用不銹鋼焊絲化學(xué)成分％

采用手工氬弧焊，在復(fù)合鋼板坡口上依次進(jìn)行三種不銹鋼焊層的堆焊，堆焊參數(shù)見(jiàn)表2，堆焊層設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖2所示。堆焊完工后進(jìn)行高溫回火處理。采用光學(xué)顯微鏡對(duì)各堆焊層進(jìn)行宏微觀金相檢驗(yàn)，采用鐵素體測(cè)試儀及顯微硬度計(jì)分別對(duì)各堆焊層進(jìn)行鐵素體檢測(cè)和硬度測(cè)試；并對(duì)必要的堆焊層進(jìn)行掃描電鏡（SEM）檢查。對(duì)比分析和討論獲得的各項(xiàng)結(jié)果，并總結(jié)出堆焊工藝的關(guān)鍵控制要點(diǎn)。

表2　堆焊層堆焊工藝參數(shù)

圖2　堆焊層結(jié)構(gòu)示意

2　試驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1堆焊層宏觀形貌

通過(guò)目視觀察切取的橫截面金相試樣（涵蓋所有焊層）進(jìn)行，發(fā)現(xiàn)各堆焊層與母材之間以及焊層與焊道之間均結(jié)合良好，未發(fā)現(xiàn)有未結(jié)合和未熔合。如圖3所示，第一堆焊層處于復(fù)合鋼基體508-Ⅲ、覆層ER347以及第二、第三堆焊層的交界匯聚中心，此堆焊區(qū)域要承受多次的反復(fù)受熱冷卻過(guò)程，通常認(rèn)為是最容易出現(xiàn)缺陷的集中區(qū)域，屬于薄弱地帶；第二堆焊層處于母材508-Ⅲ鋼與第三堆焊層（奧氏體不銹鋼）之間，該層采用高鎳含量（24.8％～ 27.0％）的焊材直接堆焊在基體508-Ⅲ上，其作用是在低合金鋼與奧氏體不銹鋼之間的化學(xué)成分過(guò)渡；第三堆焊層是采用奧氏體不銹鋼焊材堆焊在第二堆焊層上，通常經(jīng)過(guò)加工坡口后，用于與另一端的不銹鋼接頭進(jìn)行對(duì)接焊。

2.2熔合區(qū)組織

第一層堆焊層的熔合區(qū)呈平面晶與枝晶的混合組織，是典型鑄態(tài)組織（見(jiàn)圖4a），沿白色奧氏體柱狀晶晶界上看似分布著黑色的高溫鐵素體，但該層的鐵素體含量?jī)H為1.72％～2.48％，硬度值177.3～ 202.1 HV，推斷金相組織黑度稍偏大是含有碳化物所致。該層不與其他介質(zhì)發(fā)生接觸，碳化物的產(chǎn)生對(duì)其危害并不大。在該層的部分區(qū)域還可見(jiàn)均勻的奧氏體等軸晶粒，說(shuō)明在后續(xù)層的堆焊熱過(guò)程對(duì)該層起到了一定的“正火”作用，使得部分柱狀晶發(fā)生了重結(jié)晶。

圖3　金相試樣

第二層堆焊層的熔合區(qū)基體為奧氏體，沿白色的奧氏體柱狀晶晶界上分布著黑色的高溫鐵素體（見(jiàn)圖4b），該層的鐵素體含量為6.8％～9.2％，部分區(qū)域的奧氏體柱狀晶內(nèi)有黑色片狀組織，其形貌與板條馬氏體相似，硬度310～341 HV，較奧氏體或鐵素體的硬度偏高，由此推斷該層熔合區(qū)應(yīng)包含有部分馬氏體或一定量的碳化物。

第三層堆焊層的熔合區(qū)組織為典型鑄態(tài)組織，沿原白色奧氏體柱狀晶晶界上分布著黑色高溫鐵素體，未見(jiàn)其他異常組織及缺陷，而且部分區(qū)域可見(jiàn)均勻的奧氏體等軸晶粒（見(jiàn)圖4c）；該層的顯微硬度值約為250HV，屬正常；鐵素體含量6.6％～8.2％。

圖4　堆焊層熔合區(qū)形貌

此外，在第二堆焊層熔區(qū)還發(fā)現(xiàn)了一個(gè)尺寸為0.7 mm×0.1 mm的黑色條形裂隙，如圖5所示。經(jīng)觀察，裂隙兩對(duì)側(cè)組織基本可拼合，裂隙尖端開(kāi)口位置位于第二堆焊層與第三堆焊層的交界處，且沿焊縫熔合線“凸出”區(qū)段生長(zhǎng)，符合再熱裂紋發(fā)生的特征。其發(fā)生原因?yàn)樵搶尤鄯蠼饘僭诤罄m(xù)層的堆焊熱過(guò)程作用下，因熱膨脹及收縮的熱應(yīng)力作用導(dǎo)致的開(kāi)裂。

2.3熔合線及熱影響區(qū)組織

第一堆焊層與第二/第三堆焊層的交界清晰，結(jié)合良好（見(jiàn)圖6a）；與508-Ⅲ鋼母材的交界區(qū)域斷續(xù)出現(xiàn)了針片狀的黑色條帶，但顯現(xiàn)的區(qū)域窄小、針片細(xì)?。ㄒ?jiàn)圖6b），經(jīng)硬度測(cè)試硬度值為236～ 310.6 HV。據(jù)文獻(xiàn)可知，硬度值超過(guò)325 HV時(shí)，裂紋的敏感性才會(huì)大大增加，由此，認(rèn)為該黑色條帶組織帶來(lái)的危害程度不大。該層與復(fù)合鋼覆層的交界清晰，結(jié)合良好（見(jiàn)圖6c），且覆層的柱狀晶粒形態(tài)還得到一定程度的糾正，使大部分晶粒變得細(xì)小、均勻，說(shuō)明該層的堆焊熱過(guò)程對(duì)復(fù)合鋼覆層起到了正火作用，使其組織得到改善。

圖5　堆焊層缺陷形貌

圖6　熔合線及熱影響區(qū)金相照片

第二堆焊層與508-Ⅲ交界從左至右分區(qū)清晰（見(jiàn)圖6d），熔合線的不銹鋼側(cè)斷續(xù)出現(xiàn)碳化物（黑色條帶）；熱影響區(qū)由508-Ⅲ脫碳層（發(fā)亮白色條帶）、細(xì)晶帶、混晶帶、回火帶組成。熱影響區(qū)的細(xì)晶帶是完全退火組織；混晶帶是由于焊接溫度上升到不完全退火區(qū)，部分鐵素體組織轉(zhuǎn)化為奧氏體，發(fā)生了重結(jié)晶，而未相變的鐵素體保持了原晶粒大小；脫碳層和碳化物的形成推斷是由于508-Ⅲ中的碳在焊接熱過(guò)程中發(fā)生了向熔區(qū)的遷移，并與不銹鋼焊材中的Ni、Cr化合形成了碳化物，聚集于熔合線附近，在快速冷卻中形成了碳化物。經(jīng)測(cè)試，熔合線上碳化物的硬度為417～456 HV；脫碳層的硬度為123～131 HV，與鐵素體的硬度相符。通常，碳化物和脫碳層是對(duì)焊縫性能有不利影響的因素：脫碳層（鐵素體層）硬度低、碳化物增碳層硬，軟硬層交界處在高溫下長(zhǎng)期服役會(huì)出現(xiàn)蠕變孔洞，影響熔合區(qū)的沖擊韌性。同時(shí)，以針片狀為特征的組織形成，針片較大時(shí)會(huì)直接影響接頭的塑韌性。而對(duì)于本研究而言，觀察到的黑色條帶碳化物較細(xì)小，僅斷續(xù)出現(xiàn)于熔合線界面上，最寬處約十幾微米，預(yù)期對(duì)焊縫性能的影響有限。

為進(jìn)一步證實(shí)發(fā)生碳遷移的發(fā)生，在掃描電鏡下，采用能譜分析對(duì)熔合線區(qū)域的C、Ni、Cr成分變化進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如圖7所示。較熔合區(qū)基體，近熔合線的熔區(qū)側(cè)碳含量明顯增高；較508-Ⅲ母材，近熔合線的母材側(cè)碳含量明顯降低；在熔合線的熔區(qū)側(cè)，Cr和Ni含量顯著降低。由此證明，碳從母材側(cè)向熔區(qū)遷移并與焊材中的Cr和Ni元素發(fā)生了化合。在離熔合線稍遠(yuǎn)的熔合區(qū)觀察到的硬度偏高組織推測(cè)與C的深度遷移有關(guān)。所以通過(guò)SEM檢測(cè)，進(jìn)一步驗(yàn)證了碳遷移的推斷。

2.4工藝控制要點(diǎn)

通過(guò)各堆焊層在微觀組織、硬度、鐵素體含量的檢測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果可知，在低合金鋼上直接堆焊高Ni不銹鋼焊材時(shí)，所需的堆焊工藝應(yīng)更為嚴(yán)苛。而對(duì)于堆焊層中出現(xiàn)的不理想組織和再熱裂紋缺陷，可總結(jié)出堆焊工藝的關(guān)鍵控制要點(diǎn)如下：盡量多層多道焊，以減少熱源在焊縫邊緣的停留時(shí)間，減少C的遷移和減小母材金屬在焊縫金屬中的稀釋率（即熔合比小于0.3），希望成分、組織、性能逐漸過(guò)渡，以提高接頭的耐熱性。同時(shí)在較厚母材基體上進(jìn)行堆焊時(shí)需要阻止C的擴(kuò)散，而Ni元素是抑制C擴(kuò)散的最好手段，所以建議在堆焊時(shí)需注意控制焊接熱輸入、層道間溫度（100℃以下為宜）以及冷卻速度（自然冷卻為宜），以控制Ni的燒損和C的擴(kuò)散。研究表明，提高加熱速度也有利于防止再熱裂紋的產(chǎn)生。

圖7　過(guò)渡堆焊層掃描電鏡結(jié)果

3　結(jié)論

（1）堆焊的第一層和第三層奧氏體不銹鋼焊層未出現(xiàn)焊接缺陷和不理想的組織形貌，并且熔區(qū)、HAZ、熔合線上的硬度值和鐵素體含量也在正常范圍，說(shuō)明采用的堆焊工藝適合且焊接過(guò)程正常。

（2）采用高Ni不銹鋼焊材在低合金鋼上直接堆焊的第二層焊層，其組織形貌、顯微硬度結(jié)果及SEM結(jié)果均支持熔合區(qū)存在部分馬氏體或一定量的碳化物，同時(shí)因熱膨脹和收縮熱應(yīng)力作用還導(dǎo)致出現(xiàn)了再熱裂紋缺陷，說(shuō)明該層所需的堆焊工藝應(yīng)更為嚴(yán)苛，應(yīng)注意控制焊接熱輸入、熱源在焊縫邊緣的停留時(shí)間、層道間溫度以及冷卻速度，以控制Ni的燒損和C的擴(kuò)散。。

（3）后續(xù)堆焊層的焊接熱過(guò)程對(duì)前面堆焊層會(huì)起到部分正火作用，改善其組織。

（4）對(duì)核電設(shè)備維修中類似組合材料的堆焊工藝應(yīng)用具有指導(dǎo)作用和參考意義。

Microstructure analysis of stainless steel welding overlay based on A508/ER347 steel

SONG Yiyang，WANG Li，LU Lili，PAN Xiaodong，YE Yihai，WANG Jian
（Nuclear Power Institute of China fourth Institute，Chengdu 610041，China）

In this paper，experiments were performed on the A508/ER347 Steel using manual argon arc overlay welding method with three different stainless steel welding material.Optical Microscope（OM），F(xiàn)errite testing instrument and microhardness Tester were utilized to investigate the microstructure，ferrite amount and the micro-hardness of the overlay welding layer(OWL).The testing results of OWL that considered to be the defects concentration area are showed normal;Martensite transformation or carbide precipitation and the reheat cracks were occurred between the welding layers when using the high nickel stainless steel welding material;the macrostructure ferrite content and the micro-hardness are normal with the austenitic stainless steel welding material.This paper summarizes the key points of overlaying welding procedure.And the experimental research has an important directing significance and a certain reference value for the similar welding repair of nuclear power equipment.

low alloy steel；stainless steel；overlay welding；martensite；carbide

TG406

A

1001－2303（2016）04－0022-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.04.05

2015-10-23

宋怡漾（1979—），女，安徽人，副研究員，學(xué)士，主要從事焊接及熱加工方面的研究工作。