王國佛 陳波 王健 賈玉力 張勝鵬 畢沿蘋

摘要：為實(shí)現(xiàn)核電設(shè)備制造安裝過程中焊接材料的國產(chǎn)化，研制核電吊籃筒體用埋弧焊焊絲和焊劑。通過控制308L埋弧焊絲關(guān)鍵元素C、N，研制出符合核電要求的HS308LH焊絲及配套的SJ601H焊劑，測試其化學(xué)成分、力學(xué)性能、晶間腐蝕及金相組織等項(xiàng)目。焊絲/焊劑具有焊縫成形良好、脫渣容易、焊接工藝性優(yōu)良的特點(diǎn)，其熔敷金屬的力學(xué)性能、鐵素體含量、晶間腐蝕性能均滿足三代核電技術(shù)要求，且有一定的裕量，特別是熔敷金屬350 ℃高溫拉伸性能明顯提高，裕量較大。所研制的焊材通過了國內(nèi)主要核一級設(shè)備生產(chǎn)廠商的評定。

關(guān)鍵詞：埋弧焊焊絲;焊劑;力學(xué)性能;核電;國產(chǎn)化

中圖分類號：TG422.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1001-2303（2020）10-0103-05

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.10.21

0 前言

核電用ER308L焊絲主要用于反應(yīng)堆堆內(nèi)構(gòu)件、主管道、某些泵和閥壓力容器與一回路冷卻劑接觸的低合金鋼表面堆焊，如反應(yīng)堆壓力容器、蒸發(fā)器下封頭、穩(wěn)壓器和某些主泵殼體等[1]。目前在建的各大型核電機(jī)組中，核島安裝焊接材料市場幾乎被國外大焊材廠家壟斷，較為有名的有瑞典Sandvik公司、瑞典ESAB公司、德國伯樂蒂森焊接技術(shù)集團(tuán)等公司。目前，國家核電在引進(jìn)吸收AP1000技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展我國的三代核電技術(shù)[2-5]，包括開展三代核電設(shè)備用焊接材料的研發(fā)工作，力爭在三代核電設(shè)備的制造和安裝過程中實(shí)現(xiàn)焊接材料的國產(chǎn)化，其中包括ER308L奧氏體不銹鋼焊材的研發(fā)工作，文中主要介紹了研制焊接材料性能及部分研究結(jié)果。

1 埋弧焊焊材的研制

1.1 焊絲的研制

核電用308L焊絲研制的關(guān)鍵是提高其熔敷金屬室溫和350 ℃抗拉強(qiáng)度。在奧氏體不銹鋼中，間隙原子C、N的強(qiáng)化效果遠(yuǎn)大于其他元素。由于碳含量會降低奧氏體不銹鋼抗晶間腐蝕性能，而加入適量的氮含量能在提高鋼的強(qiáng)度和抗氧化性的同時(shí)不降低不銹鋼的抗晶間腐蝕性能，因此確定308L 埋弧焊絲的強(qiáng)化元素為n元素。

碳含量會影響不銹鋼耐晶間腐蝕性能，控制w（C）≤0.020%;S和P等有害元素會增加熔敷金屬的熱裂傾向，控制w（S）≤0.010%，w（P）≤ 0.020%。因?yàn)樘岣吡说?，熔敷金屬鐵素體含量需通過控制Cr和Ni含量來控制[6-9]。根據(jù)以上分析確定研制的埋弧焊絲化學(xué)成分如表1所示，命名為HS308LH。

1.2 焊劑的研制

奧氏體不銹鋼埋弧焊劑不僅要有良好的焊接工藝性能，還要具有良好的冶金性能。焊劑的焊接工藝性能包括脫渣性、潤濕性和電弧穩(wěn)定性等，需要通過各種粉料的組合來保證其具有合適的熔點(diǎn)、粘度、透氣性和電弧穩(wěn)定性等。焊劑的冶金性能主要是由焊劑渣系來保證，一般情況下高堿度焊劑的合金元素?zé)龘p較小，并且可以凈化焊縫金屬，且更易控制焊縫的鐵素體含量[10-13]。因此，確定研制焊劑渣系為CaF2-Al2O3-MgO堿性渣系，加入少量金屬Cr來微調(diào)熔敷金屬的鐵素體含量。焊劑組分如表2所示，命名為SJ601H。

1.3 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)焊絲為HS308LH，規(guī)格φ4.0 mm;焊劑為SJ601H。焊接電源采用林肯DC-1000及林肯NA-3N控制系統(tǒng)。

按AWS B4.0M標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行室溫全焊縫金屬拉伸試驗(yàn)，按ASTM E21標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行350 ℃全焊縫金屬拉伸試驗(yàn)，試樣直徑φ12.5 mm。室溫沖擊試樣尺寸為ASTM A370圖11A型，按AWS B4.0M標(biāo)準(zhǔn)要求在室溫進(jìn)行夏比V型缺口沖擊試驗(yàn)。按照ASME第Ⅲ卷NB-2433要求使用磁性法測定焊態(tài)焊縫金屬的δ鐵素體含量。晶間腐蝕試驗(yàn)按ASTM A262“E”法執(zhí)行。按照AWS B4.0試驗(yàn)方法進(jìn)行側(cè)彎試驗(yàn)。試驗(yàn)分別在焊態(tài)和尺寸穩(wěn)定化熱處理態(tài)下進(jìn)行，尺寸穩(wěn)定化處理溫度為408 ℃×24 h。

試板焊接參數(shù)如表3所示。

1.4 技術(shù)要求

核電焊材采購技術(shù)要求對熔敷金屬的C、S、P含量有嚴(yán)格控制，未稀釋熔敷金屬的鐵素體含量要求為5～15 FN。焊態(tài)和408 ℃×24 h熱處理態(tài)下的熔敷金屬的力學(xué)性能要求如表4所示;側(cè)彎試驗(yàn)要求拉伸面上不允許出現(xiàn)任何明顯的開裂，單個(gè)裂紋、氣孔和夾渣的長度均不得大于1.5 mm。

2 熔敷金屬試驗(yàn)及結(jié)果

2.1 焊接工藝性

研制的SJ601H焊劑具有合適的熔點(diǎn)、粘度、表面張力，配合HS308LH不銹鋼焊絲焊接時(shí)，脫渣性能優(yōu)良、電弧穩(wěn)定、氣孔敏感性小，無結(jié)晶裂紋、焊縫成形美觀，整體焊接工藝性佳。HS308LH焊絲匹配SJ601H焊劑堆焊焊道照片如圖1所示。

由圖1可知，焊接過程電弧穩(wěn)定，焊道平整整齊，過渡光滑，渣殼自動翹起，脫渣性好，焊道無氧化色。焊接工藝性良好。

2.2 熔敷金屬成分和鐵素體含量

焊絲及熔敷金屬化學(xué)成分如表5所示。按照ASME第Ⅲ卷NB-2433要求使用化學(xué)分析法和磁性法測定了焊態(tài)焊縫金屬的δ鐵素體含量，結(jié)果如表6所示，其焊態(tài)鐵素體含量為8～10 FN，滿足技術(shù)條件要求（5～15 FN）。

鐵素體在奧氏體不銹鋼焊縫中有著極為重要的作用。奧氏體不銹鋼焊縫中常常需要形成一定數(shù)量δ鐵素體（3%～15%），以防止焊縫產(chǎn)生凝固裂紋。δ鐵素體是奧氏體不銹鋼在一次結(jié)晶過程中生成并保留至常溫的鐵素體，鐵素體含碳量很低，具有良好的塑性和韌性，低的強(qiáng)度和硬度。鐵素體的有利作用是對S、P、Si和Nb等元素溶解度較大，能防止這些元素的偏析和形成低熔點(diǎn)共晶，從而阻止凝固裂紋產(chǎn)生。但在高溫下，δ鐵素體會析出σ相，引起焊縫金屬的脆化。因此，必須控制焊縫中的鐵素體含量。

2.3 熔敷金屬力學(xué)性能

熔敷金屬焊態(tài)及408 ℃×24 h尺寸穩(wěn)定化處理態(tài)的室溫拉伸和沖擊性能如表7所示?？梢钥闯?，熔敷金屬焊態(tài)抗拉強(qiáng)度586 MPa，規(guī)定強(qiáng)度為420 MPa，尺寸穩(wěn)定化處理態(tài)室溫抗拉強(qiáng)度為598 MPa，規(guī)定強(qiáng)度為416 MPa，均滿足技術(shù)條件要求;延伸率均在40%以上，裕量較大;熔敷金屬沖擊功均值在100 J，滿足技術(shù)條件要求，裕量大。綜上可知，熔敷金屬焊態(tài)和尺寸穩(wěn)定化熱處理態(tài)力學(xué)性能均滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)條件要求。

熔敷金屬焊態(tài)及408 ℃×24 h尺寸穩(wěn)定化處理態(tài)的350 ℃高溫拉伸性能如表8所示，抗拉強(qiáng)度均達(dá)430 MPa以上，滿足相關(guān)技術(shù)要求。

此材料在材料成分設(shè)計(jì)時(shí)通過加入N元素的方法穩(wěn)定了焊絲熔敷金屬強(qiáng)度。在奧氏體中，N是最為有效的固溶強(qiáng)化元素之一，N和C同屬于間隙固溶強(qiáng)化元素，但是N不但能引起更大的FCC晶格畸變，還能在奧氏體不銹鋼中引起更強(qiáng)的位錯(cuò)釘扎力，以及降低奧氏體中的層錯(cuò)堆垛能。因此，N能有效提高奧氏體不銹鋼的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度。

根據(jù)Labusch的理論，奧氏體不銹鋼的強(qiáng)度與 N原子分?jǐn)?shù)呈線性關(guān)系;一般認(rèn)為，在固溶退火Cr-Ni奧氏體不銹鋼中每增加1%（原子分?jǐn)?shù)）的N，其屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度將提高200%～300%;國內(nèi)相關(guān)研究表明，每增加0.01%的N，奧氏體不銹鋼的室溫強(qiáng)度將提高6～10 MPa。

2.4 熔敷金屬晶間腐蝕性能

熔敷金屬焊態(tài)和尺寸穩(wěn)定化態(tài)試樣經(jīng)敏化后均進(jìn)行了晶間腐蝕試驗(yàn)，按ASTM A262-2002中E法執(zhí)行，敏化制度為（675±5） ℃×1 h，試樣尺寸75 mm×10 mm×5 mm。試樣經(jīng)研磨、清洗后分別裝入盛有按ASTM A262-2002中E法配制的硫酸-硫酸銅-銅屑腐蝕溶液的燒杯中，連續(xù)煮沸15 h。取出試樣后，用回轉(zhuǎn)直徑等于5 mm的壓頭將被檢驗(yàn)面彎曲成180°，在顯微鏡下放大10倍觀察彎曲面，未發(fā)現(xiàn)裂紋。這表明焊態(tài)及尺寸穩(wěn)定化態(tài)熔敷金屬敏化后均無晶間腐蝕傾向。腐蝕試樣形貌如圖2所示。

2.5 熔敷金屬彎曲性能

按照AWSB 4.0試驗(yàn)方法進(jìn)行了尺寸穩(wěn)定化態(tài)熔敷金屬側(cè)彎試驗(yàn)，試樣垂直于焊接方向。彎曲后試樣沿任何方向均未發(fā)現(xiàn)裂紋，彎曲性能合格。試樣彎曲后形貌如圖3所示。

2.6 熔敷金屬微觀組織

熔敷金屬金相組織如圖4所示。圖4a、4b為焊態(tài)熔敷金屬金相組織，由奧氏體+δ-鐵素體組成;圖4c、4d為尺寸穩(wěn)定化處理后熔敷金屬金相組織，也由奧氏體+δ-鐵素體組成。尺寸穩(wěn)定化處理后熔敷金屬組織未見明顯變化。

3 評定及應(yīng)用

研制開發(fā)的HS308LH+SJ601H不銹鋼絲極埋弧焊焊材、焊劑具有良好的工藝性和冶金性能，熔敷金屬Cr、Ni等燒損小，S、P等雜質(zhì)元素?zé)o明顯增加。焊材的力學(xué)性能和耐晶間腐蝕性能優(yōu)良，滿足三代核電技術(shù)要求，目前已應(yīng)用于石油石化等壓力容器制造行業(yè)中，經(jīng)過了上海電氣核電設(shè)備有限公司、東方重型機(jī)械有限公司等核電生產(chǎn)設(shè)備廠家的評定。

4 結(jié)論

（1）研制的核電吊籃筒體用埋弧焊絲HS308LH及配套SJ601H焊劑，其脫渣性良好，焊道顏色呈銀白色。焊道潤濕良好，成形美觀，焊接過程電弧穩(wěn)定，焊接工藝性優(yōu)良。

（2）HS308LH焊絲及熔敷金屬S、P雜質(zhì)含量低、鐵素體含量達(dá)到了目標(biāo)值，力學(xué)性能和晶間腐蝕性能均滿足技術(shù)要求。熔敷金屬350 ℃抗拉強(qiáng)度達(dá)430 MPa以上，裕量較大。熔敷金屬經(jīng)過408 ℃×24 h尺寸穩(wěn)定化處理后，其成分、鐵素體、力學(xué)性能和晶間腐蝕性能均滿足技術(shù)要求。

（3）HS308LH+SJ601H焊接材料已通過國內(nèi)主要核電用戶的第三方評定，為三代核電的國產(chǎn)化建設(shè)提供了儲備。

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