張俊寶,唐 識，梅 樂，余 燕

(1.上海核工程研究設(shè)計(jì)院，上海 200233；2.國核示范電站有限責(zé)任公司，山東 榮成264312)

埋弧堆焊低合金鋼熔敷金屬組織和性能研究

張俊寶1,唐 識2，梅 樂1，余 燕1

(1.上海核工程研究設(shè)計(jì)院，上海 200233；2.國核示范電站有限責(zé)任公司，山東 榮成264312)

CAP1000機(jī)組反應(yīng)堆壓力容器堆測接管管座采用低合金鋼埋弧堆焊焊接成型。為了保證堆焊結(jié)構(gòu)的組織和性能的各向同性，使用與CAP1000產(chǎn)品堆測接管管座完全相同的材料以及焊接工藝進(jìn)行焊接模擬，并從堆焊結(jié)構(gòu)的三個方向，即垂直于焊接方向、平行于焊接方向、堆焊結(jié)構(gòu)的高度方向分別進(jìn)行拉伸和沖擊試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，采用堆焊方法制作的堆測接管管座具有良好的組織性能，焊接工藝性能優(yōu)良，未發(fā)現(xiàn)焊接缺陷；三個方向的拉伸性能和沖擊性能基本相當(dāng)。

CAP1000；堆測接管管座；埋弧焊；堆焊

CAP1000機(jī)組反應(yīng)堆壓力容器堆測接管管座采用堆焊的方式成型[1]，堆焊后進(jìn)行焊后熱處理。堆測接管管座作為一回路的壓力邊界部件，對于設(shè)備的安全運(yùn)行有著重要的影響。在核電的壓力容器設(shè)計(jì)上，采用堆焊結(jié)構(gòu)作為其中一個部件是不常見的[2-3]。因此，需要從堆焊結(jié)構(gòu)的3個方向，即垂直于焊接方向、平行于焊接方向、堆焊結(jié)構(gòu)的高度方向分別進(jìn)行拉伸和沖擊試驗(yàn)，研究各個方向的力學(xué)性能，從而滿足堆焊結(jié)構(gòu)的質(zhì)量要求。

1 焊接材料及方法

本研究模擬件采用的焊接材料與CAP1000產(chǎn)品使用的完全相同，試件焊接所采用的焊接工藝(埋弧焊)、焊接設(shè)備、焊接規(guī)范、熱處理制度與CAP1000產(chǎn)品堆測接管堆焊管座一致[4-5]。采用的焊接工藝按ASME標(biāo)準(zhǔn)評定合格，焊接材料和焊接規(guī)范見表1。

模擬件采用的母材為SA508 Gr.3 Cl.1，規(guī)格為60mm×600mm×300mm，焊接采用Φ4.0mm F9P4-EG-G焊絲。母材、焊絲和熔敷金屬的化學(xué)成分見表2。

焊接接頭形式如圖1所示，隔離層采用手工電弧焊，當(dāng)隔離層厚度為7mm時，采用埋弧自動焊進(jìn)行堆焊，直至滿足堆焊厚度的要求。焊接過程中嚴(yán)格控制道間溫度，焊道搭接量在1/2～2/3，每層焊道厚度不大于4mm，焊絲干伸長量在30～35mm。

當(dāng)試板堆焊層厚度T=150mm時進(jìn)行中間消應(yīng)力熱處理，當(dāng)試板堆焊層厚度t=300mm以上時進(jìn)行最終消應(yīng)力熱處理，具體熱處理要求詳見表3和表4。

表1 焊接材料和焊接規(guī)范

表2 母材、焊絲和熔敷金屬的化學(xué)成分

圖1 焊接接頭形式

表3 中間消應(yīng)力熱處理工藝參數(shù)

表4 最終焊后熱處理工藝參數(shù)

2 焊接接頭顯微組織

沿試驗(yàn)件的全厚度方向加工1件垂直于焊接方向的低倍試樣，試樣尺寸為10mm×300mm×300mm，進(jìn)行宏觀檢測，宏觀照片如圖2所示。在堆焊層和母材結(jié)合截面處取一個微觀金相試樣，試樣尺寸為20mm×20mm×20mm，進(jìn)行微觀檢驗(yàn)(放大倍數(shù)200倍)，試樣金相組織如圖3所示。經(jīng)10倍放大觀察，試樣未發(fā)現(xiàn)焊接缺陷。通過4％硝酸酒精溶液+10％鉻酸電解腐蝕液浸蝕，觀察母材、熱影響區(qū)、堆焊層的微觀組織均為粒狀貝氏體，未發(fā)現(xiàn)焊接缺陷。

圖2 宏觀低倍照片

圖3 試樣金相組織照片 200×

3 力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

3.1 拉伸試驗(yàn)

在試驗(yàn)件的平行堆焊方向、垂直堆焊方向、堆焊高度方向分別各取2個試樣進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)以及350℃高溫拉伸試驗(yàn)，試樣直徑12.5mm。試驗(yàn)按標(biāo)準(zhǔn)ASTM A370進(jìn)行，試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 試樣各方向室溫及高溫拉伸試驗(yàn)結(jié)果

從圖4可以看出，室溫和高溫的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度按平行堆焊方向、垂直堆焊方向、堆焊高度方向逐漸降低，但變化不大，說明熔敷金屬的結(jié)晶方向?qū)Σ牧系膹?qiáng)度影響不大。

3.2 沖擊試驗(yàn)

在試驗(yàn)件的平行堆焊方向、垂直堆焊方向、堆焊高度方向各取24個試樣進(jìn)行夏比沖擊試驗(yàn)，試樣尺寸為10mm×10mm×55mm，試樣缺口為V形。試驗(yàn)按標(biāo)準(zhǔn)ASTM A370進(jìn)行，結(jié)果如圖5所示。

圖5 夏比沖擊試驗(yàn)結(jié)果

從圖5夏比沖擊轉(zhuǎn)變曲線可以看出，平行堆焊方向、垂直堆焊方向、堆焊高度方向的沖擊性能基本是一致的。

4 試驗(yàn)結(jié)果討論

通過以上的試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，堆焊結(jié)構(gòu)具有良好的組織結(jié)構(gòu)、高韌性及焊接性。增材制造的最原始形態(tài)就是堆焊，它作為一種“自上而下”的制造方法，能滿足制造業(yè)對于零件的快速設(shè)計(jì)、制造與加工過程柔性化的需求，因此，近年來受到業(yè)界的廣泛關(guān)注[6-9]。并且堆焊成型具有低成本下組織致密且力學(xué)性能好的特點(diǎn)，因此該技術(shù)有望發(fā)展成為大批量生產(chǎn)的增材制造技術(shù)[10]。

5 結(jié) 語

采用堆焊的方法制作的堆測接管管座，具有良好的組織性能，焊接工藝性能良好，未發(fā)現(xiàn)焊接缺陷。對堆焊結(jié)構(gòu)進(jìn)行三個方向的拉伸和沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，三個方向的力學(xué)性能基本相當(dāng)，堆焊結(jié)構(gòu)具有良好的強(qiáng)度和韌性。

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Study on Microstructure&Properties of Submerged Arc Surfacing Welding Low-alloy Steel Weld Metal

ZHANG Junbao1,TANG Shi2,MEI Le1,YU Yan1
(1.Shanghai Nuclear Engineering Research&Design Institute,Shanghai 200233,China;2.State Nuclear Power Demonstration Plant Co.,Ltd.,Rongcheng 264312,Shandong,China)

CAP1000 reactor pressure vessel tube socket is made of low alloy steel by submerged arc surfacing welding,in order to ensure the isotropic of microstructure and property for surfacing structure,it used the same material and welding process with CAP1000 products pressure vessel tube socket to simulate welding,and to perform tensile and impact test from three directions,including perpendicular to welding direction,parallel to welding direction,and the welding structure height direction.Test results showed the pressure vessel tube socket made by surfacing welding is with good organization performance,good welding performance,found no weld defects;the tensile and impact properties from three directions are equivalent.

CAP1000;pressure vessel tube socket;submerged arc welding;surfacing welding

TG113

A

10.19291/j.cnki.1001-3938.2016.08.004

張俊寶(1976—)，男，碩士，高級工程師，主要從事核電設(shè)備的焊接設(shè)計(jì)工作。

2016-05-18

黃蔚莉