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        核電SA-508 Gr.3 Cl.2鋼用埋弧焊燒結(jié)焊劑的研制

        2018-05-30 01:49:42彭祺珉楊飛蔣勇李亞軍余燕
        金屬加工(熱加工) 2018年5期
        關(guān)鍵詞:工藝性能焊劑熔渣

        ■ 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。

        [1] 陳伯蠡.焊接冶金原理[M]. 北京:清華大學(xué)出版社,1991.

        [2] 蘇仲鳴.焊劑的性能與使用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1989.

        [3] 唐伯鋼.低碳鋼與低合金高強(qiáng)鋼焊接材料[M]. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1987.

        [4] 薛永棟, 趙陽磊, 郭彪,等.模擬焊后熱處理對SA-508Gr.3 Cl.1鋼力學(xué)性能的影響[J]. 大型鑄鍛件, 2012(2):9-11.

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