,2,2,2,2

(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

隨著中國核設(shè)備制造技術(shù)的發(fā)展，壓水堆核電站單機(jī)組的容量已達(dá)到百萬級千瓦。上世紀(jì)80 年代初，由當(dāng)時的核工業(yè)部第一研究設(shè)計院、機(jī)電部第二重型機(jī)器廠、哈爾濱焊接研究所(現(xiàn)為哈爾濱焊接研究院有限公司)、冶金部北京鋼鐵研究總院組成了“六十萬千瓦壓水堆核電站反應(yīng)堆壓力容器用A508-3鋼及其配套焊接材料與工藝研制”協(xié)作組，開始了中國反應(yīng)堆壓力容器用A508-3鋼鍛件，焊接材料及制造工藝的研究，但至今焊接材料仍然主要依靠進(jìn)口。目前大多數(shù)工業(yè)發(fā)達(dá)國家，反應(yīng)堆壓力容器仍在使用A533B(板材)和A508-3鋼(鍛件)，這是當(dāng)今世界壓水堆壓力容器用鋼的典型代表材料[1]。

國內(nèi)核電用 508-3 鋼焊接材料市場基本被以日本神鋼、德國蒂森公司為代表的進(jìn)口焊材占領(lǐng)著，尤其是核級設(shè)備，國產(chǎn)焊接材料一直被拒絕于門外。進(jìn)口焊材不僅價格昂貴，而且供貨期較長，對國內(nèi)還存在著諸多技術(shù)壁壘，給廣大用戶帶來許多困擾。期盼著核一級設(shè)備中使用高質(zhì)量的國產(chǎn)核電焊接材料，由此將解決長期困擾企業(yè)的難題， 并為企業(yè)帶來效益和效率，為國家節(jié)省資源。文中對A508-3 Cl.2 鋼主焊縫高純氬弧焊焊接材料進(jìn)行深入研究， 實現(xiàn)核電用A508-3 Cl.2 鋼主焊縫焊接材料的國產(chǎn)化，替代進(jìn)口焊材，解決國內(nèi)制造企業(yè)的燃眉之急。

1 試驗要求與方法

1.1 技術(shù)要求

A508-3 Cl.2 鋼的焊接材料技術(shù)要求對焊絲及熔敷金屬的 S，P，Cu，Co 等合金元素含量進(jìn)行了嚴(yán)格控制，見表1。對熔敷金屬熱處理態(tài)(608 ℃×24 h)力學(xué)性能，特別是室溫和 350 ℃抗拉強(qiáng)度也進(jìn)行了嚴(yán)格要求，見表 2 。落錘試驗試驗溫度TNDT≤-10 ℃不斷裂合格見表3；彎曲試驗，面彎、背彎各取 1 個或取 2 個側(cè)彎試樣，彎曲直徑：D=4T，彎曲角度：180°，彎曲后拉伸面上不允許出現(xiàn)任何明顯的開裂，單個裂紋、表面氣孔和夾渣的長度均不應(yīng)大于 3 mm[2]熔敷金屬沖擊性能試驗結(jié)果見表3。同時要求研制的氬弧焊絲手工TIG焊接工藝性良好。

表1 焊絲及無稀釋熔敷金屬化學(xué)成分要求(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

表2 熔敷金屬拉伸性能試驗(608 ℃×24 h 熱處理)

表3 熔敷金屬沖擊性能試驗(608 ℃×24 h 熱處理)

1.2 試驗方法

母材為Q345(16Mn)鋼，對接試板用HS09MnNiMoHR焊絲焊3層過渡層，試板厚度為20 mm，焊接方式為手工 TIG 焊接。對接坡口形式如圖1所示，焊接工藝參數(shù)見表4。

表4 焊接工藝參數(shù)

圖1 對接坡口形式

按照ASTM A751-2014《鋼產(chǎn)品化學(xué)分析的試驗方法、規(guī)程和術(shù)語》進(jìn)行化學(xué)分析，按照GB/T 25774.1—2010《焊接材料的檢驗 第1部分：鋼、鎳及鎳合金熔敷金屬力學(xué)性能試樣的制備及檢驗》進(jìn)行拉伸、沖擊、彎曲試樣制備。焊縫金屬力學(xué)性能分別按照 GB/T 2652—2008《焊縫及熔敷金屬拉伸試驗方法》、GB/T 4338—2006《金屬材料高溫拉伸試驗方法》、GB/T 2650—2008《焊接接頭沖擊試驗方法》、GB/T 2653—2008《焊接接頭彎曲試驗方法》要求進(jìn)行拉伸、沖擊以及彎曲試驗。落錘試驗按照GB/T 6803—2008《鐵素體鋼的無塑性轉(zhuǎn)變溫度落錘試驗方法》試樣采用 P-3型進(jìn)行試驗[3]。

2 焊接材料的研制

2.1 焊絲成分設(shè)計

A508-3 Cl.2鋼焊接材料熔敷金屬力學(xué)性能指標(biāo)室溫拉伸、350 ℃高溫拉伸、沖擊吸收能量、落錘、彎曲，根據(jù)項目考核指標(biāo)，焊絲的化學(xué)成分、熔敷金屬的力學(xué)性能及焊接工藝參數(shù)等相關(guān)條件下各數(shù)據(jù)的關(guān)系，此外還要考慮核一級設(shè)備受中子輻照后，焊縫產(chǎn)生輻照脆化，韌性降低，因此需嚴(yán)格控制焊縫金屬中 S，P，Cu，Co 等元素有害元素含量，向焊絲中添加 Ni 等合金元素以提高低溫沖擊韌性。結(jié)合公司多年的低合金鋼焊接材料研究成果的積累，已有的研究數(shù)據(jù)和產(chǎn)品經(jīng)驗，設(shè)計研究焊絲的化學(xué)成分。

為了改善和提高焊絲沖擊韌性在冶煉過程中加入部分合金元素。

2.1.1鎳(Ni)

鎳在焊縫中強(qiáng)化鐵素體并細(xì)化珠光體， 總的效果是提高強(qiáng)度，對塑性的影響不顯著。含鎳鋼的碳含量可以適當(dāng)降低，因而能使鋼的韌性和塑性有所提高。

2.1.2鉬(Mo)

鉬在焊縫中能提高淬透性和熱強(qiáng)性。鉬對鐵素體有固溶強(qiáng)化作用，同時也提高碳化物的穩(wěn)定性，從而提高鋼的強(qiáng)度。

2.1.3鈦(Ti)

鈦和氮、氧、碳都有極強(qiáng)的親合力， 與硫的親合力比鐵強(qiáng)。因此，它是一種良好的脫氧去氣劑和固定氮和碳的有效元素。

鈦對鋼的韌性，特別是低溫沖擊韌性少有改善作用。鈦能改善碳素鋼和合金鋼的熱強(qiáng)性，提高它們的持久強(qiáng)度和蠕變抗力。

2.1.4鋁(Al)

鋁主要用來脫氧和細(xì)化晶粒。某些鋼脫氧時，如果鋁用量過多，則會使鋼產(chǎn)生反常組織和有促進(jìn)鋼的石墨化傾向。在鐵素體及珠光體鋼中，鋁含量較高時會降低其高溫強(qiáng)度和韌性。鋁強(qiáng)烈促進(jìn)碳的石墨化，加入Cr，Ti，V，Nb 等強(qiáng)碳化物形成元素可抑制Al的石墨化作用[4]。

2.2 焊絲冶煉

該項目共冶煉了6批次焊絲，其中第1次冶煉的焊絲性能不合格，其余5批次焊絲性能均滿足要求。編號為 1號的焊絲沖擊韌性低，低溫沖擊不滿足采購技術(shù)要求。通過添加適量的Ni，Ti，Al等微量元素，其中2號、3號、4號、5號、6號的焊絲抗拉強(qiáng)度和沖擊韌性均有明顯提高。

將典型1號、2號焊絲進(jìn)行成分及熔敷金屬性能比較，研制焊絲化學(xué)成分及熔敷金屬性能見表5、表6。

表5 焊絲化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

表6 熔敷金屬力學(xué)性能試驗(608 ℃×24 h熱處理)

通過資料查詢及試驗分析，找出Al,Ti,Ni 等微量元素對材料性能的影響。通過調(diào)整合金元素比例及加入一定比例的微量元素后抗拉強(qiáng)度和沖擊韌性均有明顯提高，通過1號、2號試樣焊縫金相組織進(jìn)行對比分析也有一致的規(guī)律。

如圖2所示，1號、2號試樣焊縫金相組織因受焊接重?zé)嶙饔茫缚p金相組織因受焊接重?zé)嶙饔?，原始柱狀晶特征已消失?號試樣重?zé)岵煌耆鸾M織形貌如圖2a所示，為鐵素體+貝氏體+馬氏體。2號試樣重?zé)岵煌耆鸾M織形貌如圖2b所示，為鐵素體+聚集態(tài)珠光體(或貝氏體)。

圖2 焊縫重?zé)岵煌耆饏^(qū)域的微觀組織形貌

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 焊絲的工藝性能

通過調(diào)整焊絲的化學(xué)成分，在滿足力學(xué)性能指標(biāo)的前提下，使熔池具有合適的黏度和表面張力，增加熔池的流動性，改善焊絲的焊接過程中電弧的穩(wěn)定性，提高焊絲的可焊性。

研制的焊絲HS09MnNiMoHR，2號焊絲適合大電流焊接。焊接工藝性能優(yōu)良，電弧穩(wěn)定，飛濺較小，無焊渣，焊縫成形較好，圖3為氬弧焊焊道形貌。

圖3 氬弧焊焊道形貌

3.2 熔敷金屬化學(xué)成分及力學(xué)性能

研制的HS09MnNiMoHR 焊絲及熔敷金屬化學(xué)成分分析結(jié)果見表7所示，滿足表1的要求。熔敷金屬力學(xué)性能試驗結(jié)果見表8、表9，力學(xué)性能能夠滿足表2的要求， 落錘試驗溫度TNDT≤-10 ℃不斷裂合格，結(jié)果如圖4所示。側(cè)彎試樣完好無裂紋，結(jié)果如圖5所示。

圖4 落錘試樣

圖5 側(cè)彎試樣

表7 焊絲及無稀釋熔敷金屬化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

表8 熔敷拉伸性能試驗(608 ℃×24 h熱處理)

表9 熔敷金屬沖擊性能試驗(608 ℃×24 h熱處理)

3.3 金相組織

2號試樣宏觀樣粗晶形貌如圖6所示， 未見裂紋、夾渣、氣孔、未焊透、未熔合等缺陷。

圖6 宏觀組織形貌

2號試樣焊縫金相組織因受焊接重?zé)嶙饔?，焊縫金相組織因受焊接重?zé)嶙饔?，原始柱狀晶特征已消失，以重?zé)嵴鸷椭責(zé)岵煌耆?種狀態(tài)交叉存在。重?zé)嵴鸾M織形貌如圖7所示，為等軸鐵素體；未見微觀裂紋、氣孔、夾渣等微觀缺陷。

圖7 2號試樣焊縫重?zé)嵴鸾M織微觀形貌

4 結(jié)論

(1)研制的焊接材料 HS09MnNiMoHR 低合金鋼氬弧焊絲，其焊絲及熔敷金屬化學(xué)成分和各項性能均滿足項目要求。

(2)研制的焊接材料HS09MnNiMoHR 低合金鋼氬弧焊絲具有良好的焊接工藝性能。對焊絲中S，P，Co等有害元素進(jìn)行有效控制， -10 ℃低溫沖擊吸收能量平均值達(dá)到160 J以上。

(3)焊縫金相組織未見硬脆相，柱狀晶消失轉(zhuǎn)化為等軸晶，組織細(xì)化單位面積晶界比例明顯上升，使得位錯擴(kuò)展受到阻礙， 宏觀表現(xiàn)韌性提高。