王猛 鄒小平 陳波 陳佩寅 張學(xué)剛
摘要:核島主設(shè)備核心部件使用的E309L-16奧氏體不銹鋼焊條長期依賴進口,嚴重制約中國核電事業(yè)的發(fā)展。研究了焊態(tài)鐵素體含量對熔敷金屬經(jīng)608 ℃×40 h熱處理后斷后伸長率的影響,對焊態(tài)鐵素體含量大于12%的熱處理態(tài)熔敷金屬微觀組織進行分析,并研究了熱輸入和熱處理保溫時間對熔敷金屬拉伸性能的影響,試驗結(jié)果表明:當(dāng)鐵素體含量大于12%時,δ-鐵素體分解很不均勻,導(dǎo)致熔敷金屬斷后伸長率波動較大,可能會出現(xiàn)斷后伸長率小于18%;當(dāng)鐵素體含量增大至17.8%時,δ-鐵素體大部分發(fā)生分解,并有σ相析出,是導(dǎo)致脆斷的原因;熱輸入和熱處理保溫時間對熔敷金屬的斷后伸長率影響不大。
關(guān)鍵詞:奧氏體不銹鋼;焊條;熱處理;熔敷金屬拉伸性能;核電
中圖分類號:TG422.1 ? ? ?文獻標志碼:A ? ? ? ? 文章編號:1001-2003(2021)06-0087-05
DOI:10.7512/j.issn.1001-2303.2021.06.16
0 ? ?前言
核電是先進的清潔能源,是國家能源戰(zhàn)略的重要組成部分,是實現(xiàn)國家節(jié)能減排目標的最重要舉措之一。在核島設(shè)備中許多部組件采用不銹鋼制造,其中反應(yīng)堆穩(wěn)壓器及蒸汽發(fā)生器等反應(yīng)堆主設(shè)備的殼體采用在低合金鋼鍛件上堆焊309L+308L奧氏體不銹鋼耐蝕層的方式制造。E309L焊條主要用于低合金鋼上作為過渡層堆焊使用[1-5]。
如果E309L奧氏體不銹鋼焊條的化學(xué)成分和鐵素體控制不當(dāng),按照AP1000蒸發(fā)器的技術(shù)規(guī)范要求,經(jīng)過608 ℃×40 h的焊后熱處理后,焊縫金屬會出現(xiàn)斷后伸長率較低,無法滿足技術(shù)要求的現(xiàn)象[6-7]。為了加快國產(chǎn)焊條在核島主設(shè)備核心部件上的應(yīng)用進程,開展了核級E309L-16奧氏體不銹鋼焊條的研制。
1 試驗要求與方法
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E309L-16過渡層,坡口形式為45°V型對接,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(xué)性能試驗分別在焊態(tài)和焊后熱處理態(tài)608 ℃×40 h下進行。
1.2 化學(xué)成分分析
熔敷金屬化學(xué)成分分析用試件按照ASME SFA-
5.4 《焊條電弧焊用不銹鋼焊條標準》中圖1的要求制備,化學(xué)成分要求見表2。熔敷金屬鐵素體試件的制備按照ASME SFA-5.4 《焊條電弧焊用不銹鋼焊條標準》中圖A2的要求進行,按照ASME第Ⅲ卷NB-2433要求使用磁性法測定焊態(tài)熔敷金屬的δ鐵素體含量,要求范圍為5%~18%。
1.3 拉伸和彎曲試驗
室溫熔敷金屬拉伸試驗按照AWS B4.0M 《焊接機械試驗的標準方法》標準進行,試樣直徑φ12.5mm,拉伸試驗分別在焊態(tài)和熱處理態(tài)下進行,熔敷金屬拉伸性能要求見表3;彎曲試驗按照AWS B4.0M《焊接機械試驗的標準方法》標準進行,試樣尺寸200 mm×20 mm×10 mm。
1.4 金相組織
采用OLYMPUS GX51型光學(xué)顯微鏡觀察熔敷金屬金相組織,利用ZEISS EVO18 型掃描電子顯微鏡進一步放大觀察試樣表面微觀組織結(jié)構(gòu),配合OX-FORD INCA能譜儀進行點成分分析,使用透射電鏡進行精確分析。
2 試驗結(jié)果及分析
2.1 熔敷金屬拉伸試驗
焊態(tài)鐵素體含量與焊后熱處理態(tài)608 ℃×40 h室溫斷后伸長率的關(guān)系如圖1所示,A1、A2、A3分別為焊態(tài)鐵素體含量相同時,608 ℃×40 h焊后熱處理態(tài)不同室溫斷后伸長率。大量試驗結(jié)果表明,當(dāng)焊態(tài)鐵素體含量小于12%時,熱處理態(tài)斷后伸長率≥18%;當(dāng)焊態(tài)鐵素體含量大于12%時,出現(xiàn)了同種試驗狀態(tài)下斷后伸長率波動劇烈的現(xiàn)象,A1試樣的斷后伸長率為10%、A2試樣為22%、A3試樣為35%;當(dāng)鐵素體含量為17.8%時,熱處理態(tài)拉棒發(fā)生脆斷,斷后伸長率幾乎為零。
2.2 熔敷金屬金相試驗
A1、A2、A3試樣金相顯微組織如圖2~圖4所示。由圖可知,各試樣顯微組織均為奧氏體+δ-鐵素體,但δ-鐵素體分解程度存在較大區(qū)別。A1試樣δ-鐵素體分解不均勻,部分區(qū)域δ-鐵素體分解徹底,部分區(qū)域可見未明顯分解的δ-鐵素體;A2試樣δ-鐵素體分解程度低于A1試樣,局部可見未明顯分解的δ-鐵素體;A3試樣δ-鐵素體區(qū)域形態(tài)完整,內(nèi)部分解物很少,分解程度最為輕微。A1、A2、A3試樣的δ-鐵素體分解程度和不均勻程度依次降低。試驗結(jié)果表明,當(dāng)焊態(tài)鐵素體含量為12.8%時,熱處理過程中鐵素體分解過程不均勻,從而導(dǎo)致同種狀態(tài)下斷后伸長率發(fā)生了較大波動。因此,焊態(tài)鐵素體含量要控制在12%以下。
當(dāng)焊態(tài)鐵素體含量為17.8%時,大部分δ-鐵素體發(fā)生了分解。熱處理態(tài)拉棒發(fā)生脆斷,斷后伸長率幾乎為零,斷口形貌為沿柱狀晶脆性斷裂,如圖5所示。對焊態(tài)鐵素體含量為17.8%的熱處理態(tài)熔敷金屬顯微組織進行EDS分析,掃描電鏡圖片如圖6所示,在晶界三角交匯區(qū)可能存在σ相,EDS分析結(jié)果表明此處Cr含量較高,約為32%,具體分析結(jié)果見表4。
進一步對試樣作了透射電鏡分析,如圖7所示,結(jié)果表明,熱處理態(tài)下δ-鐵素體發(fā)生了分解,分解成σ相+二次奧氏體。
2.3 熔敷金屬化學(xué)成分及力學(xué)性能
通過化學(xué)成分優(yōu)化和鐵素體含量控制,將熔敷金屬的化學(xué)成分的鉻鎳當(dāng)量比值調(diào)整至1.63~1.72、鐵素體含量小于12%,研制的E309L-16焊條熔敷金屬的化學(xué)成分滿足表2的要求。采用磁性法測試鐵素體含量為11.8%,熔敷金屬室溫拉伸性能測試結(jié)果見表5,三批次數(shù)據(jù)穩(wěn)定,完全符合表3的要求。熔敷金屬彎曲試驗結(jié)果見圖8,均未發(fā)生斷裂。新研制的E309L-16焊條熔敷金屬的熱處理態(tài)金相組織見圖9,δ-鐵素體分解均勻,其均勻性明顯優(yōu)于A1和A2試樣,與A3試樣相當(dāng),而且比較輕微。
3 焊條熔敷金屬拉伸性能研究
3.1 熱輸入對熔敷金屬斷后伸長率的影響
熱輸入與焊接電流、電壓和焊接速度有關(guān),不同熱輸入的斷后伸長率結(jié)果如圖10所示。
熱輸入對E309L-16焊條熔敷金屬抗拉強度和屈服強度的影響都較小,熱輸入從0.69 kJ/mm增加至2.55 kJ/mm時,斷后伸長率降低至30.5%,滿足技術(shù)要求。綜上所述,熱輸入在0.69~2.55 kJ/mm時,焊條熔敷金屬斷后伸長率均能滿足技術(shù)條件要求。
3.2 熱處理保溫時間對熔敷金屬斷后伸長率的影響
研究熱處理溫度為608 ℃,保溫時間分別為0 h、16 h、24 h、40 h和48 h的E309L-16焊條熔敷金屬斷后伸長率。不同保溫時間對斷后伸長率的影響如圖11所示,結(jié)果表明,熱處理保溫時間對研制的E309L-16焊條斷后伸長率影響較小,斷后伸長率均≥18%,滿足技術(shù)要求。
4 結(jié)論
(1)研制的E309L-16焊條具有優(yōu)良的力學(xué)性能,三批次數(shù)據(jù)穩(wěn)定,滿足核電技術(shù)條件要求。
(2)研制的E309L-16焊條適用范圍寬,熱輸入在0.99~2.55 kJ/mm,熔敷金屬斷后伸長率均能滿足技術(shù)條件要求。
(3)研制的E309L-16焊條經(jīng)過608℃×(0~48)h的焊后熱處理,熔敷金屬斷后伸長率均能滿足技術(shù)條件要求。
參考文獻:
邱振生,柳猛,匡艷軍,等.國產(chǎn)核島主設(shè)備焊接技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢分析[J].焊接,2016(12):13-20.
薛小懷,王志穎,李天宇,等.CAP1400蒸汽發(fā)生器壓力邊界焊接接頭的顯微組織[J].機械工程材料,2018,42(2):22-26.
王苗苗.核電核島主設(shè)備關(guān)鍵焊接技術(shù)研究[J].電子世界,2018(15):188-190.
吳新麗,鄒杰,李恩,等.蒸汽發(fā)生器關(guān)鍵焊接技術(shù)[J].電焊機,2019,49(4):49-53.
王莉,杜玉華.AP1000核島主設(shè)備不銹鋼堆焊層首層鐵素體含量研究[J].電焊機,2019,49(12):29-31.
汪麗麗,王培培,楊巨文.焊后熱處理對309L熔敷金屬性能的影響[J].發(fā)電設(shè)備,2018,32(5):340-343.
顧佳磊,張文楊,丁陽.焊后熱處理對309L不銹鋼焊縫金屬性能的影響[J].壓力容器,2017,34(7):5-10.