孫婷婷 王猛 陳波 張學剛 宋立群

摘要：針對蒸汽發(fā)生器用SA508Gr.3Cl.2鋼配套焊條大多依賴進口的現(xiàn)狀，開展了SA508Gr.3Cl.2鋼配套焊條J607HR的研制工作。結果表明，通過合理調整焊條藥皮中的碳酸鹽、氟化物和鐵合金的比例，當CaCO3/CaF2為2.0～2.4，總量為58%～62%，鐵合金比例較高時，能夠獲得良好的工藝性能。焊縫成形美觀，脫渣容易，飛濺小，電弧穩(wěn)定，可以實現(xiàn)平焊和立焊焊接，并且具有優(yōu)良的力學性能。

關鍵詞：蒸汽發(fā)生器;焊條;全位置焊接

中圖分類號：TG 421

Abstract：Aiming at the current situation that the welding of the steam generator SA508Gr.3Cl.2 steel depends on the imported electrodes， covered electrode J607HR for SA508Gr.3Cl.2 steel was studied.The results shown that properly by adjusting the proportion of carbonate， fluoride and ferroalloy in the coating of the electrode with 2.0-2.4 ratio of CaCO3/CaF2 and 58%-62% total amount， the proportion of the ferroalloy is high， good process performance can be obtained. The weld is beautifully formed， the slag removal is easy， the splash is small， the arc is stable. The flat welding and the vertical welding can be realized. Deposited metal has excellent mechanical properties.

Key words：steam generator;covered electrode;allposition welding

0?前言

蒸汽發(fā)生器[1-2]是核反應堆一回路系統(tǒng)關鍵設備之一，其一次側為一回路壓力邊界，在服役期間承受高溫、高壓和強放射性，二次側為核蒸汽產生區(qū)，其承壓部件所用的材料為可靠性較高的SA508Gr.3Cl.2鋼，該鍛件綜合力學性能優(yōu)良，能夠提高蒸汽發(fā)生器的安全性[3-4]。為確保蒸汽發(fā)生器的順利制造，急需開展SA508Gr.3Cl.2鋼配套焊接材料的研制，來滿足蒸汽發(fā)生器的制造。

SA508Gr.3Cl.2鋼配套焊條長期依賴進口，未見國內有該焊條研制的相關報道，為打破國外對國內核電焊接材料的壟斷，將開展蒸汽發(fā)生器用SA508Gr.3Cl.2鋼配套焊條J607HR的研制攻關工作。

1?試驗要求與方法

1.1?試件制備

熔敷金屬力學性能試板采用Q235鋼板，在坡口堆焊兩層焊縫金屬的過渡層，坡口形式為45°V形對接，坡口根部間距為12 mm，試板尺寸400 mm×300 mm×20 mm。進行平焊位置焊接，具體焊接工藝參數(shù)見表1。力學性能試驗在焊后熱處理態(tài)608 ℃×24 h下進行。

1.2?化學分析

熔敷金屬化學成分分析按照GB/T 223—1988《鋼鐵及合金化學分析方法》標準進行，蒸汽發(fā)生器焊接的技術要求對焊條熔敷金屬的S，P，B元素含量進行了嚴格的控制，化學成分要求見表2。

1.3?拉伸和沖擊試驗

室溫拉伸試驗按照GB/T 2652—2008《焊縫及熔敷金屬拉伸試驗方法》標準進行，高溫全焊縫金屬拉伸試驗按照GB/T 4338—2006《金屬材料高溫拉伸試驗方法》標準進行，試樣直徑10.0 mm。室溫V形缺口沖擊試驗按照GB/T 2650—2008《焊接接頭沖擊試驗方法》標準進行，試樣尺寸為55 mm×10 mm×10 mm。拉伸試驗分別在室溫和350 ℃下進行，沖擊試驗分別在室溫和-10 ℃下進行，熔敷金屬力學性能要求見表3。

1.4?彎曲和落錘試驗

彎曲試驗按照GB/T 2653—2008《焊接接頭彎曲試驗方法》標準進行，取2個側彎試樣，試樣尺寸為200 mm×20 mm×10 mm。試驗要求：試樣拉伸面上無明顯開裂，單個裂紋、表面氣孔和夾渣的長度≤3 mm。

落錘試驗按照NB/T 20004—2014《核電廠核島機械設備材料理化檢驗方法》標準執(zhí)行。試樣采用P3型，試樣縱軸應垂直于焊縫，試樣的缺口底部應平行于試樣的表面，并位于試件焊縫的心軸線上。試驗要求：試驗溫度-10 ℃下不斷裂。

1.5?擴散氫和金相試驗

水銀法擴散氫按照GB/T 3965—2012《熔敷金屬擴散氫測定方法》標準進行，試驗要求：熔敷金屬擴散氫含量≤5 mL/100 g（水銀法）。

金相試樣經(jīng)特定溶液腐蝕后，采用光學金相顯微鏡拍攝照片進行觀察研究。

2?試驗結果與分析

2.1?焊條的工藝性能

以CaCO3CaF2TiO2SiO2渣系為基礎，該渣系含有較多的大理石、螢石和鐵合金，從而降低了焊縫中氫和氧的含量，堿性渣系有利于提高熔敷金屬的沖擊韌性[5]。通過調整焊條藥皮中碳酸鹽、氟化物和鐵合金的比例，使熔渣具有合適的粘度和表面張力，改善了藥皮熔化的均勻性、電弧穩(wěn)定性，提高了焊條立焊的工藝性能。試驗結果表明，CaCO3/CaF2為2.0～2.4，含量為58%～62%（質量分數(shù)）為宜，較高的鐵合金能夠改善焊條藥皮熔化的均勻性。

研制焊條工藝性能良好，主要表現(xiàn)在：焊縫成形美觀，表面有金屬光澤，波紋均勻，脫渣容易，不粘渣，飛濺小，電弧穩(wěn)定，電弧吹力合適，能夠適合平焊和立焊的操作要求。圖1為J607HR焊條焊道形貌。

2.2?Mn，Si元素對熔敷金屬力學性能的影響

2.2.1?Mn元素對熔敷金屬力學性能的影響

研究了Mn元素對熔敷金屬抗拉強度和-10 ℃沖擊吸收能量的影響。

圖2為Mn元素對熔敷金屬抗拉強度和-10 ℃低溫沖擊吸收能量的影響。熔敷金屬的抗拉強度隨著Mn含量的增加而增加;當Mn含量在1.54%～1.77%時，隨著Mn含量的增加，熔敷金屬的-10 ℃沖擊吸收能量下降明顯;當Mn含量在1.77%～2.02%時，隨著Mn含量的增加，熔敷金屬的-10 ℃沖擊吸收能量下降比較平緩。

從圖2可以看出，隨著Mn含量的增加，熔敷金屬的抗拉強度明顯增加，而低溫沖擊吸收能量先明顯下降，后又平緩下降，這是因為Mn元素是奧氏體化元素，能夠擴大穩(wěn)定奧氏體相區(qū)，推遲二次相變溫度，同時還具有一定的細化二次組織的作用。當Mn含量在1.54%～1.77%時，二次轉變溫度相對較低，先共析鐵素體量較少，針狀鐵素體量較多，組織較細，在該成分范圍內組織差異不大，因此低溫沖擊吸收能量變化不大，但當Mn含量繼續(xù)增加時，二次組織轉變?yōu)檩^細的貝氏體+少量鐵素體，熔敷金屬強度明顯增加，沖擊吸收能量降低。

2.2.2?Si元素對熔敷金屬力學性能的影響

研究了Si元素對熔敷金屬抗拉強度和-10 ℃沖擊吸收能量的影響。

圖3為Si元素對熔敷金屬抗拉強度和-10 ℃低溫沖擊韌性的影響。熔敷金屬的抗拉強度隨著Si含量（Si含量在0.26%～0.56%）的增加而增加;熔敷金屬的-10 ℃沖擊吸收能量隨著Si含量的增加而明顯下降。

從圖3可以看出，隨著Si含量的增加，熔敷金屬的抗拉強度明顯增加，而低溫沖擊吸收能量明顯下降，這是因為Si元素起到脫氧作用，同時與其它元素形成的復合氧化物又為針狀鐵素體提供形核基礎，隨著Si含量的增加，焊縫金屬中含氧量減少，針狀鐵素體數(shù)量增加且細化，使得熔敷金屬的抗拉強度明顯增加;另一方面，隨著Si元素的增加也會促進先共析鐵素體的形成，這是造成低溫沖擊吸收能量明顯下降的原因。

2.3?熔敷金屬化學成分及力學性能

通過優(yōu)化熔敷金屬的化學成分，研制的J607HR焊條滿足技術條件要求，熔敷金屬的化學成分和力學性能結果分別見表4和表5?？紤]到脫氧問題，Si含量沒有設置到下限值;室溫和350 ℃的抗拉強度的數(shù)值都較高，遠大于技術條件要求，但是室溫斷后伸長率為23%，僅比技術條件要求高3%;室溫和-10 ℃沖擊吸收能量都較大，都比技術條件要求高80 J以上。側彎試驗結果合格，表面無開裂，如圖4所示。在溫度為-10 ℃下進行落錘試驗，未斷裂，如圖5所示。

2.4?熔敷金屬擴散氫及金相組織

嚴格控制原材料的氫的來源，并且通過調整配方比例來降氫，研制的J607HR焊條熔敷金屬擴散氫含量3.0 mL/100 g（水銀法），滿足技術條件小于5.0 mL/100 g（水銀法）的要求。

圖6為熔覆金屬微觀組織形貌，其組織為先共析鐵素體+針狀鐵素體+貝氏體，呈柱狀晶特征。

3?應用情況

2017年，哈爾濱威爾焊接有限責任公司開始為上海某企業(yè)提供蒸汽發(fā)生器用SA508Gr.3Cl.2鋼配套焊條J607HR，產品通過了該企業(yè)的焊接工藝評定。

4?結論

（1）J607HR焊條熔敷金屬的抗拉強度和沖擊吸收能量都遠大于技術條件要求，側彎試驗未發(fā)現(xiàn)裂紋，-10 ℃落錘試驗未斷裂，擴散氫含量很低，微觀組織以針狀鐵素體為主，還有少量先共析鐵素體和貝氏體。

（2）J607HR焊條工藝性能優(yōu)良，能夠實現(xiàn)平焊和立焊位置焊接;通過調整熔敷金屬中的Mn，Si元素含量，并合理控制合金元素含量，獲得了優(yōu)良的力學性能。

參考文獻

[1]?劉文斌，李書瑞.我國核電承壓設備用鋼的發(fā)展現(xiàn)狀與研究方向[J].鋼鐵研究， 2011，39（5）：58-62.

[2] 張敬才，王文華，高維森.A5083鋼及其焊接材料與工藝研究[J].中國核科技報告， 1994（S1）：1151-1161.

[3] 馬中良.三代核電蒸汽發(fā)生器用SA508 Gr.3 Cl.2鍛件的熱處理工藝[J].金屬熱處理，2018，43（5）：180-183.

[4] 王弘昶，張文楊，左波.焊后熱處理時間對SA508Gr.3Cl.2鋼焊縫力學性能影響的研究[J].熱加工工藝，2016，45（15）：28-31.