■ 彭祺珉，楊飛，蔣勇，李亞軍，余燕

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1. 概述

焊接是核電設(shè)備制造和安裝中大量應(yīng)用、不可缺少的關(guān)鍵工藝，穩(wěn)定可靠的焊接材料是獲得高質(zhì)量核電設(shè)備的必備條件。我國已建成或在建的核電站中，核島主設(shè)備制造所用到的焊接材料，幾乎全部依賴進(jìn)口，即便如此，進(jìn)口焊材也難以滿足CAP1400示范工程和CAP1000項(xiàng)目核電站的技術(shù)要求。

根據(jù)第三代核電核島主設(shè)備用焊接材料技術(shù)要求，四川大西洋焊接材料股份有限公司與上海核工程研究設(shè)計(jì)院合作，共同開展研發(fā)了SA—508 Gr.3 Cl.2鋼用低合金鋼埋弧焊接材料的研制。試驗(yàn)結(jié)果表明，研制的燒結(jié)焊劑CHF113HRF 配合CHW—SEM2HRF焊絲焊接工藝性能優(yōu)良，在焊態(tài)和焊后熱處理?xiàng)l件下，焊縫金屬理化性能優(yōu)良，完全滿足核電工程SA—508 Gr.3 Cl.2鋼用焊接材料的技術(shù)要求，實(shí)現(xiàn)核電工程SA—508 Gr.3 Cl.2鋼用埋弧焊材的國產(chǎn)化。

2. 燒結(jié)焊劑CHF113HRF的研制

（1）焊劑渣系和堿度設(shè)計(jì) 核島主設(shè)備SA—508 Gr.3 Cl.2鋼的焊接，需嚴(yán)格控制熔敷金屬中的的雜質(zhì)元素，尤其是S、P的含量。選用氟堿型CaF2-MgO-Al2O3-CaO-SiO2渣系，使其能有效除去磷和硫，提高焊縫的純凈度，控制氧化物夾渣；且能降低熔敷金屬的氧化性，減少合金元素的燒損，提高合金元素的過渡。同時，選用含S、P比較低的焊絲CHW-SEM2HRF，可將雜質(zhì)元素控制在較低的水平，為熔敷金屬力學(xué)性能提供了保障。按照國際焊接學(xué)會推薦的BIIW公式計(jì)算，其堿度為2.8。

（2）合金體系的設(shè)計(jì)及作用 根據(jù)焊縫的使用性能要求，考慮焊絲CHW—SEM2HRF、母材和合金元素的相互作用，確定合金體系為Mn-Si-Ni-Mo，確保熔敷金屬具有良好的力學(xué)性能。

第一，Si是重要的脫氧劑同時也是焊縫金屬重要的合金劑，硅可以降低焊縫金屬的含氧量，提高焊縫金屬的沖擊韌性，但太高時則相反。試驗(yàn)表明，焊縫中Si含量應(yīng)控制在0.20%～0.30%之間。

第二，Mn具有良好的脫硫、脫氧的作用，還可以向焊縫過渡錳元素，細(xì)化焊縫針狀鐵素體和粗晶區(qū)、細(xì)晶區(qū)的顯微組織，在提高焊縫金屬強(qiáng)度的同時改善韌性。試驗(yàn)表明，焊縫中Mn含量應(yīng)控制在1.50%～1.80%之間。

第三，Ni可提高鐵素體基體的韌性和促進(jìn)針狀鐵素體形成，改善抗冷裂性能和提高低溫沖擊沖擊韌性。試驗(yàn)表明，焊縫中Ni含量應(yīng)控制在1.7%～2.0%之間。

第四，Mo能顯著提高焊縫金屬的強(qiáng)度，有細(xì)化晶粒的作用，適當(dāng)?shù)你f鐵加入量可提高焊縫的強(qiáng)度、硬度及熱穩(wěn)定性；但過高則會影響焊縫金屬韌性。試驗(yàn)表明，焊縫中Mo含量應(yīng)控制在0.35 %～0.60 %之間。

（3）焊劑配方確定 CaF2是影響熔渣流動性，降低熔敷金屬的含氧量，提高抗氣孔能力的有效成分。在合適范圍具有降低熔渣高溫粘度，改善熔渣流動性，并提高導(dǎo)電性，改善焊縫成形；當(dāng)含量過高時，電弧不穩(wěn)定，熔渣粘度過低，熔池流動激烈，焊道外觀不整齊。

A12O3是造渣劑，是調(diào)整熔渣粘度、熔點(diǎn)維持良好焊道形狀的有效成分。焊劑中加入量增大時，焊道魚鱗紋越細(xì)，焊道較光亮平滑。當(dāng)加入量過高，會使熔渣粘度增大，流動性變差，易造成咬邊和焊縫金屬夾渣等缺陷。

MgO是的造渣劑，它能增加熔渣的透氣性，抑制表面氧化，降低酸性渣的粘度，同時降低擴(kuò)散氫的含量 ，并具有增大熔渣表面張力的作用。當(dāng)加入量過高，焊縫表面出現(xiàn)板條狀的黑色條紋，成形不美觀。

CaO是堿性氧化物，在焊劑中起造渣和提高焊劑堿度作用。與S、P的結(jié)合能力較強(qiáng)，可以降低焊縫金屬中的S、P含量，它能有效提高焊劑抗大電流能力，改善焊縫力學(xué)性能。

SiO2能調(diào)整熔渣的凝固點(diǎn)、表面張力及粘度，對焊道外觀和形狀的有重要的作用。當(dāng)加入量過高，則會造成焊縫波紋粗大，中間結(jié)晶線紋明顯。

經(jīng)過大量焊劑配方調(diào)試，確定了具有良好工藝性能和冶金性能的焊劑配方，如表1所示。

3. 試驗(yàn)材料及方法

（1）試驗(yàn)材料 母材為SA—508 Gr.3 Cl.2鋼，板厚為30mm，其試板尺寸如圖1所示；焊絲為CHW—SEM2HRF，?4.0mm。母材和焊絲化學(xué)成分如表2所示。

（2）試驗(yàn)方法 CHF113HRF配合焊絲CHW-SEM2HRF在圖1所示的試板上進(jìn)行埋弧焊接，焊接設(shè)備為ZD5—1000型埋弧焊機(jī)。焊接參數(shù)：焊接電流570～600A，電弧電壓30～32V，焊接速度40～45cm/min，道間溫度240～250℃。焊后熱處理工藝：從室溫升溫到425℃，然后以≤55℃/h升溫，升到595～620℃后保溫40h，最后以≤55℃/h冷卻到425℃后取出空冷至室溫。

4. 試驗(yàn)結(jié)果與分析

圖1 焊接試板示意

圖2 焊接工藝圖片

表1 焊劑CHF113HRF配方（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表3 熔敷金屬化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

（1）焊接工藝性能 通過對熔渣熔點(diǎn)、表面張力和粘度的調(diào)整，獲得了焊接工藝性能良好的焊劑配方。焊接過程中電弧燃燒穩(wěn)定，脫渣良好，焊縫紋理細(xì)，焊縫邊緣規(guī)整且與母材過渡平滑，焊縫表面無粘渣、氣孔和壓坑等缺陷，如圖2所示。

（2）熔敷金屬化學(xué)成分 在力學(xué)拉伸試樣加工的過程中進(jìn)行熔敷金屬化學(xué)成分取樣，熔敷金屬化學(xué)成分如表3所示。從表3可以看出，熔敷金屬化學(xué)成分符合AWS 5.23 F9P4-EM2-M2規(guī)定的要求。

（3）熔敷金屬拉伸性能試驗(yàn) 熔敷金屬全焊縫拉伸試樣的加工按照標(biāo)準(zhǔn)AWS B4.0M的規(guī)定進(jìn)行，室溫和360℃高溫拉伸試驗(yàn)分別按AWS B4.0M和ASTM E21標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。熔敷金屬拉伸試驗(yàn)結(jié)果如表4所示，從表4可以看出，拉伸性能能滿足設(shè)計(jì)技術(shù)要求，經(jīng)焊后熱處理后抗拉強(qiáng)度略有降低。

（4）熔敷金屬沖擊韌性試驗(yàn) 熔敷金屬沖擊韌性試驗(yàn)試樣的加工按照標(biāo)準(zhǔn)ASTM A370的規(guī)定進(jìn)行，沖擊試驗(yàn)按AWS B4.0M標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。從表5可以看出，熔敷金屬沖擊試驗(yàn)滿足設(shè)計(jì)技術(shù)要求，經(jīng)焊后熱處理后略有降低，但仍有很大的富余量。圖3為-25℃熔敷金屬試樣沖擊斷口的掃描電鏡，從圖中可看到明顯的塑性變形而產(chǎn)生的韌窩，為韌性斷裂。而韌性斷裂可以保證焊縫金屬具有良好的低溫沖擊韌性，表5中的沖擊功數(shù)據(jù)正好印證了這一觀點(diǎn)。

（5）顯微組織 熔敷金屬顯微組織如圖4所示。圖4a組織為針狀鐵素體、粒狀貝氏體、較均勻尺寸稍大的塊狀鐵素體和未分解的M-A組元在形態(tài)上表現(xiàn)為彼此咬合，互相交錯分布，這有利于阻止裂紋的擴(kuò)展，因此具有良好的拉伸性能和低溫沖擊韌性；圖4b組織為粒狀貝氏體、塊狀鐵素體、均布的碳化物，少量索氏體組織，碳化物均勻分布于鐵素體之間，有效晶粒尺寸較小，因此脆性裂紋不易擴(kuò)展，沖擊韌性較好。

經(jīng)過焊后熱處理，低溫沖擊韌性略有降低，是由于M-A分解成的碳化物在局部晶界處析出增多，在一定程度上聚集長大而粗化引起的。同時雜質(zhì)原子在晶界位錯等缺陷位移的偏聚，導(dǎo)致材料晶界弱化，位錯開動激活能增加，從而使焊縫金屬的沖擊韌性下降。

圖3 沖擊斷口電鏡掃描

表4 熔敷金屬拉伸性能

表5 熔敷金屬沖擊性能

（6）脆性轉(zhuǎn)變曲線 為了驗(yàn)證熔敷金屬脆性轉(zhuǎn)變溫度，對其熔敷金屬在不同溫度下做了沖擊韌性試驗(yàn)，同一溫度取3組試樣，3組試樣取平均值，結(jié)果如圖5所示。從圖5可以看出，焊態(tài)TNDT=-80℃，焊后熱處理態(tài)TNDT=-65℃，滿足標(biāo)準(zhǔn)TNDT≤-25℃的要求。

（7）熔敷金屬擴(kuò)散氫含量 依據(jù)AWS A4.3標(biāo)準(zhǔn)，熔敷金屬擴(kuò)散氫含量如表6所示。從試驗(yàn)結(jié)果來看，熔敷金屬擴(kuò)散氫含量都＜4.0mL/100g，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求值。

5. 第三方性能評估

新研制的埋弧焊低合金鋼焊接材料CHW-SEM2HRF/CHF113HRF在東方電氣（廣州）重型機(jī)械有限公司和上海電氣核電設(shè)備有限公司進(jìn)行了第三方性能評估試驗(yàn) 。工藝性能達(dá)到進(jìn)口焊材的水平，具有良好的脫渣性，焊縫成形均勻，窄間隙焊接工藝適應(yīng)性好；焊縫金屬化學(xué)成分和力學(xué)性能良好，滿足技術(shù)條件要求并有很大富余量，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，得到了用戶的好評。

6. 結(jié)語

（1）研制的焊劑CHF113HRF配合焊絲CHW—SEM2HRF焊接工藝性能良好，焊接過程中電弧燃燒穩(wěn)定，脫渣良好，焊縫紋理細(xì)，焊縫邊緣規(guī)整且與母材過渡平滑，焊縫表面無粘渣、氣孔和壓坑等缺陷。

（2）研制的焊劑CHF113HRF配合焊絲CHW—SEM2HRF熔敷金屬具有優(yōu)良力學(xué)性能，滿足設(shè)計(jì)要求。低溫沖擊韌性和脆性轉(zhuǎn)變TNDT都有很大富余量。

（3）研制的焊劑CHF113HRF配合焊絲CHW—SEM2HRF滿足核電工程用SA—508 Gr.3 Cl.2鋼的焊接。

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