孫婷婷，王猛，陳波，張學(xué)剛，宋立群

(1.哈爾濱焊接研究院有限公司，黑龍江 哈爾濱150028;2.哈爾濱威爾焊接有限責(zé)任公司，黑龍江 哈爾濱150028)

0 前言

蒸汽發(fā)生器［1-2］是核反應(yīng)堆一回路系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備之一，其一次側(cè)為一回路壓力邊界，在服役期間承受高溫、高壓和強(qiáng)放射性，二次側(cè)為核蒸汽產(chǎn)生區(qū)，其承壓部件所用的材料為可靠性較高的SA-508Gr.3Cl.2 鋼，該鍛件綜合力學(xué)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SA-508Gr.3Cl.2 鋼配套焊接材料的研制，來(lái)滿足蒸汽發(fā)生器的制造。

SA-508Gr.3Cl.2 鋼配套焊條長(zhǎng)期依賴進(jìn)口，未見國(guó)內(nèi)有該焊條研制的相關(guān)報(bào)道，為打破國(guó)外對(duì)國(guó)內(nèi)核電焊接材料的壟斷，將開展蒸汽發(fā)生器用SA-508Gr.3Cl.2 鋼配套焊條J607HR 的研制攻關(guān)工作。

1 試驗(yàn)要求與方法

1.1 試件制備

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

表1 焊接工藝參數(shù)

表2 熔敷金屬化學(xué)成分的要求(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

1.2 化學(xué)分析

熔敷金屬化學(xué)成分分析按照GB/T 223—1988《鋼鐵及合金化學(xué)分析方法》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，蒸汽發(fā)生器焊接的技術(shù)要求對(duì)焊條熔敷金屬的S，P，B 元素含量進(jìn)行了嚴(yán)格的控制，化學(xué)成分要求見表2。

1.3 拉伸和沖擊試驗(yàn)

室溫拉伸試驗(yàn)按照GB/T 2652—2008《焊縫及熔敷金屬拉伸試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，高溫全焊縫金屬拉伸試驗(yàn)按照GB/T 4338—2006《金屬材料高溫拉伸試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，試樣直徑φ10.0 mm。室溫V 形缺口沖擊試驗(yàn)按照GB/T 2650—2008《焊接接頭沖擊試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，試樣尺寸為55 mm×10 mm×10 mm。拉伸試驗(yàn)分別在室溫和350 ℃下進(jìn)行，沖擊試驗(yàn)分別在室溫和-10 ℃下進(jìn)行，熔敷金屬力學(xué)性能要求見表3。

表3 熔敷金屬力學(xué)性能的要求

1.4 彎曲和落錘試驗(yàn)

彎曲試驗(yàn)按照GB/T 2653—2008《焊接接頭彎曲試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，取2 個(gè)側(cè)彎試樣，試樣尺寸為200 mm×20 mm×10 mm。試驗(yàn)要求:試樣拉伸面上無(wú)明顯開裂，單個(gè)裂紋、表面氣孔和夾渣的長(zhǎng)度≤3 mm。

落錘試驗(yàn)按照NB/T 20004—2014《核電廠核島機(jī)械設(shè)備材料理化檢驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。試樣采用P-3型，試樣縱軸應(yīng)垂直于焊縫，試樣的缺口底部應(yīng)平行于試樣的表面，并位于試件焊縫的心軸線上。試驗(yàn)要求:試驗(yàn)溫度-10 ℃下不斷裂。

1.5 擴(kuò)散氫和金相試驗(yàn)

水銀法擴(kuò)散氫按照GB/T 3965—2012《熔敷金屬擴(kuò)散氫測(cè)定方法》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，試驗(yàn)要求:熔敷金屬擴(kuò)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(xué)金相顯微鏡拍攝照片進(jìn)行觀察研究。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 焊條的工藝性能

以CaCO3-CaF2-TiO2-SiO2渣系為基礎(chǔ)，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(guò)調(diào)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(yàn)結(jié)果表明，CaCO3/CaF2為2.0 ～2.4，含量為58%～62%(質(zhì)量分?jǐn)?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。

圖1 J607HR 焊條焊道形貌

2.2 Mn，Si 元素對(duì)熔敷金屬力學(xué)性能的影響

2.2.1 Mn 元素對(duì)熔敷金屬力學(xué)性能的影響

研究了Mn 元素對(duì)熔敷金屬抗拉強(qiáng)度和-10 ℃沖擊吸收能量的影響。

圖2 為Mn 元素對(duì)熔敷金屬抗拉強(qiáng)度和-10 ℃低溫沖擊吸收能量的影響。熔敷金屬的抗拉強(qiáng)度隨著Mn 含量的增加而增加;當(dāng)Mn 含量在1.54%～1.77%時(shí)，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(dāng)Mn 含量在1.77%～2.02%時(shí)，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(qiáng)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?yàn)镸n 元素是奧氏體化元素，能夠擴(kuò)大穩(wěn)定奧氏體相區(qū)，推遲二次相變溫度，同時(shí)還具有一定的細(xì)化二次組織的作用。當(dāng)Mn 含量在1.54%～1.77%時(shí)，二次轉(zhuǎn)變溫度相對(duì)較低，先共析鐵素體量較少，針狀鐵素體量較多，組織較細(xì)，在該成分范圍內(nèi)組織差異不大，因此低溫沖擊吸收能量變化不大，但當(dāng)Mn 含量繼續(xù)增加時(shí)，二次組織轉(zhuǎn)變?yōu)檩^細(xì)的貝氏體+少量鐵素體，熔敷金屬?gòu)?qiáng)度明顯增加，沖擊吸收能量降低。

2.2.2 Si 元素對(duì)熔敷金屬力學(xué)性能的影響

研究了Si 元素對(duì)熔敷金屬抗拉強(qiáng)度和-10 ℃沖擊吸收能量的影響。

圖2 Mn 含量對(duì)熔敷金屬抗拉強(qiáng)度和沖擊吸收能量的影響

圖3 Si 含量對(duì)熔敷金屬抗拉強(qiáng)度和沖擊吸收能量的影響

圖3 為Si 元素對(duì)熔敷金屬抗拉強(qiáng)度和-10 ℃低溫沖擊韌性的影響。熔敷金屬的抗拉強(qiáng)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(qiáng)度明顯增加，而低溫沖擊吸收能量明顯下降，這是因?yàn)镾i 元素起到脫氧作用，同時(shí)與其它元素形成的復(fù)合氧化物又為針狀鐵素體提供形核基礎(chǔ)，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(xì)化，使得熔敷金屬的抗拉強(qiáng)度明顯增加;另一方面，隨著Si 元素的增加也會(huì)促進(jìn)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(xué)成分及力學(xué)性能

通過(guò)優(yōu)化熔敷金屬的化學(xué)成分，研制的J607HR 焊條滿足技術(shù)條件要求，熔敷金屬的化學(xué)成分和力學(xué)性能結(jié)果分別見表4 和表5。考慮到脫氧問(wèn)題，Si 含量沒(méi)有設(shè)置到下限值;室溫和350 ℃的抗拉強(qiáng)度的數(shù)值都較高，遠(yuǎn)大于技術(shù)條件要求，但是室溫?cái)嗪笊扉L(zhǎng)率為23%，僅比技術(shù)條件要求高3%;室溫和-10 ℃沖擊吸收能量都較大，都比技術(shù)條件要求高80 J 以上。側(cè)彎試驗(yàn)結(jié)果合格，表面無(wú)開裂，如圖4 所示。在溫度為-10 ℃下進(jìn)行落錘試驗(yàn)，未斷裂，如圖5 所示。

表4 J607HR 焊條熔敷金屬化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

表5 J607HR 焊條熔敷金屬力學(xué)性能的試驗(yàn)結(jié)果

圖4 側(cè)彎試驗(yàn)結(jié)果

圖5 落錘試驗(yàn)結(jié)果

2.4 熔敷金屬擴(kuò)散氫及金相組織

嚴(yán)格控制原材料的氫的來(lái)源，并且通過(guò)調(diào)整配方比例來(lái)降氫，研制的J607HR 焊條熔敷金屬擴(kuò)散氫含量3.0 mL/100 g(水銀法)，滿足技術(shù)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。

圖6 微觀金相組織

3 應(yīng)用情況

2017年，哈爾濱威爾焊接有限責(zé)任公司開始為上

海某企業(yè)提供蒸汽發(fā)生器用SA-508Gr.3Cl.2 鋼配套焊條J607HR，產(chǎn)品通過(guò)了該企業(yè)的焊接工藝評(píng)定。

4 結(jié)論

(1)J607HR 焊條熔敷金屬的抗拉強(qiáng)度和沖擊吸收能量都遠(yuǎn)大于技術(shù)條件要求，側(cè)彎試驗(yàn)未發(fā)現(xiàn)裂紋，-10 ℃落錘試驗(yàn)未斷裂，擴(kuò)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?qū)崿F(xiàn)平焊和立焊位置焊接;通過(guò)調(diào)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(xué)性能。