王美麗，李元濤

(煙臺臺?，斉瑺柡穗娫O(shè)備有限公司，山東 煙臺 264003)

0 前言

公司承制的用于國外某核電站機(jī)組的循環(huán)泵葉輪，材質(zhì)為歐標(biāo)牌號RCC-M M3407 Z6CNDU20-08M，是由21%Cr，8%Ni，2.7%Mo，0.1%N(質(zhì)量分?jǐn)?shù))等合金成分組成的低碳雙相不銹鋼，其為鐵素體(α)-奧氏體(γ)雙相組織，組織中兩相組織約各占一半。其兼有奧氏體不銹鋼的優(yōu)良的韌性和焊接性，及鐵素體不銹鋼的高強(qiáng)度和耐氯化物應(yīng)力腐蝕性能。與奧氏體不銹鋼相比，其耐應(yīng)力腐蝕性提高；與鐵素體不銹鋼相比，其沖擊韌性提高，因此被廣泛用于核電站循環(huán)泵葉輪。

近十幾年，公司承制了國內(nèi)外30多套核電機(jī)組循環(huán)泵葉輪，葉輪采用靜態(tài)鑄造工藝制造，鑄造后按客戶技術(shù)條件對葉輪進(jìn)行滲透、射線等無損檢測，對于檢測出的鑄造超標(biāo)缺陷，將采用焊接補焊的方式進(jìn)行修復(fù)。為了確保焊接修復(fù)部位的強(qiáng)度及耐氯化物腐蝕性能，根據(jù)雙相不銹鋼材料特性，其性能主要取決于焊接接頭的雙相組織。因此在焊接過程中控制焊接接頭的雙相相比是關(guān)鍵所在。

根據(jù)客戶采購技術(shù)規(guī)范要求，葉輪焊接修復(fù)前需按照《壓水堆核島機(jī)械設(shè)備設(shè)計及建造》RCC-M S篇標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范進(jìn)行補焊工藝評定，以確定葉輪合理的補焊修復(fù)工藝。

1 焊接技術(shù)要求及準(zhǔn)備

所制造的循環(huán)泵葉輪是核電機(jī)組核3級部件，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。其鑄造缺陷補焊修復(fù)應(yīng)遵循RCC-M M3407 中對葉輪的補焊要求。

圖1 葉輪結(jié)構(gòu)示意圖

依照RCC-M S焊接篇標(biāo)準(zhǔn)策劃焊接工藝評定技術(shù)文件，并確定焊評試件形式及所覆蓋葉輪補焊厚度。

葉輪補焊工藝方案：采用焊條電弧焊，環(huán)境溫度在0 ℃以上時不需預(yù)熱，焊接時控制層間道間溫度。

2 焊接工藝評定方案及無損檢驗

2.1 評定試板及焊接材料的選擇

評定所用材料采用與葉輪同材質(zhì)Z6CNDU20-08M的鑄造試板進(jìn)行補焊，母材熱處理狀態(tài)與葉輪產(chǎn)品熱處理狀態(tài)相同，即固溶熱處理+水淬。制備尺寸為1 000 mm×400 mm×100 mm的試板，試板中間加工60 mm深度凹槽，坡口角度30°±5°，凹槽底部寬15 mm，模擬鑄件補焊形式，橫焊位置，焊接接頭形式如圖2所示。

圖2 接頭橫斷面模擬補焊示意圖

對于雙相不銹鋼的焊接材料通常選用比母材Ni元素含量稍高的合金含量焊材，以保證焊縫金屬有足夠的奧氏體[1]；選用Cr元素含量比母材稍高的合金焊材，以確保焊縫具有優(yōu)良的耐腐蝕性；焊材化學(xué)成分與母材相同，力學(xué)性能與母材相近似，滿足海水循環(huán)泵葉輪使用時耐腐蝕等性能要求，且宜選擇低氫型焊條，以減少擴(kuò)散氫對焊接的影響。根據(jù)上述原則，結(jié)合生產(chǎn)實際對比分析，選擇SFA-5.4 E2594-16低氫型焊條，施焊前經(jīng)300～350 ℃烘焙1～1.5 h。母材和焊材化學(xué)成分見表1。

表1 母材及焊材的化學(xué)成分 (質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

根據(jù)母材和焊材化學(xué)成分，可先預(yù)測母材和焊材點蝕當(dāng)量：PRE(N)m=1%Cr+3.3%Mo+16%N=32.01，PRE(N)w=1%Cr+3.3%Mo+16%N=42.12；由此可判定，母材和焊材的點蝕當(dāng)量均可滿足客戶的要求(PRE(N)≥30.85)。

2.2 焊前準(zhǔn)備

組焊前對評定試板進(jìn)行滲透檢測(PT)、射線檢測(RT)，以確保焊接工藝評定試驗結(jié)果不受母材試板質(zhì)量的影響,而導(dǎo)致焊評數(shù)據(jù)分析判定不準(zhǔn)確。

組焊前用丙酮清洗試板坡口及兩側(cè)油污等，當(dāng)環(huán)境溫度在0 ℃以下時，需對試件進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱溫度20～60 ℃即可。

2.3 焊接工藝要點

從雙相不銹鋼的焊接性分析可知，要獲得奧氏體組織占優(yōu)勢的雙相組織(即A-F型)，關(guān)鍵一點是要有適宜的冷卻速度和焊接工藝參數(shù)?？刂坪附庸に噮?shù)，焊接熱輸入和層間溫度對雙相不銹鋼的相平衡起著關(guān)鍵的作用，過低的焊接熱輸入會使奧氏體的轉(zhuǎn)變量減少，甚至?xí)种坪负罄鋮s過程中鐵素體的轉(zhuǎn)變，得到少量的奧氏體；過高的焊接熱輸入冷卻速度太慢，使焊縫金屬及焊縫熱影響區(qū)的晶粒粗大以及σ等有害相的析出，造成焊接接頭脆化[2]。因此合理的工藝措施是控制焊接熱輸入為0.5～1.5 kJ/mm，厚板熱輸入應(yīng)較大、薄板較小，以達(dá)到奧氏體-鐵素體組織中奧氏體稍占優(yōu)勢的平衡相，并控制層間溫度不超過150 ℃，若層間溫度過高，在敏化溫度區(qū)間停留時間長，則可能生成金屬間化合物脆化相，這對韌性和耐腐蝕性都不利。

焊接時，采用多層多道焊，低熔合比，后續(xù)焊道對前層焊道有熱處理作用，前道焊縫中γ組織進(jìn)一步析出占優(yōu)勢的兩相組織，因此熱影響區(qū)(HAZ)組織的γ相也會增多，從而使整個焊接接頭組織性能顯著改善，蓋面層加焊退火焊道，然后打磨去除；避免不加填充金屬的焊接，因為焊縫金屬中易產(chǎn)生較高δ鐵素體；避免焊縫金屬擴(kuò)散氫含量過高，以免誘發(fā)焊接裂紋；因引弧區(qū)冷卻速度較大，易導(dǎo)致引弧區(qū)鐵素體含量過高，不可在母材或焊縫外引弧。

評定試件焊接位置為橫焊，焊接時按照預(yù)焊接工藝規(guī)程p-WPS進(jìn)行焊接，焊接工藝參數(shù)見表2。

表2 焊接工藝參數(shù)

2.4 焊后消應(yīng)力熱處理

由于雙相不銹鋼對300～1 000 ℃的溫度很敏感，在300～700 ℃進(jìn)行消應(yīng)力熱處理會導(dǎo)致σ相析出及產(chǎn)生475 ℃脆化現(xiàn)象，從而引起韌性和耐腐蝕性降低；而在700～1 000 ℃進(jìn)行消應(yīng)力熱處理會導(dǎo)致金屬間化合物的析出，同樣會引起韌性和耐腐蝕性的降低[3]。根據(jù)RCC-M M3407標(biāo)準(zhǔn)及客戶采購技術(shù)規(guī)范，結(jié)合實際產(chǎn)品，雙相不銹鋼Z6CNDU20-08M在補焊后不需要進(jìn)行焊后熱處理。

2.5 評定試件的無損檢驗

評定試件的無損檢測主要是驗證補焊后是否產(chǎn)生超標(biāo)的焊接缺陷，對于無損檢測出的焊接缺陷，進(jìn)行原因分析，以避免在葉輪產(chǎn)品補焊時產(chǎn)生焊接缺陷。

(1)外觀檢驗：按照RCC-M MC7000的要求，對評定試件焊縫表面進(jìn)行目視檢驗和尺寸檢驗。未發(fā)現(xiàn)有咬邊、凹坑、表面氣孔、裂紋及焊瘤等缺陷，滿足MC 7000的驗收要求。

(2)滲透檢驗：按照RCC-M MC4000的規(guī)定對焊縫進(jìn)行滲透檢驗。焊縫表面未見不良缺陷，探傷結(jié)果滿足RCC-M MC4000的驗收規(guī)定。

(3)射線檢驗：按照RCC-M MC3300的規(guī)定對焊縫進(jìn)行射線探傷，探傷結(jié)果均為I級，滿足RCC-M MC3300的驗收規(guī)定。

通過對焊接評定試件的無損檢測驗證，評定試件的焊接質(zhì)量滿足葉輪產(chǎn)品補焊的質(zhì)量要求，說明焊接工藝參數(shù)控制合理。

3 焊接工藝評定破壞性試驗

通過對評定試件進(jìn)行破壞性取樣，對焊接接頭進(jìn)行微觀分析、化學(xué)成分及鐵素體含量測定、力學(xué)性能及耐腐蝕試驗，驗證焊接工藝的合理性，從而驗證焊縫是否滿足產(chǎn)品要求的耐腐蝕性和力學(xué)性能等各項指標(biāo)。

3.1 評定試件焊接接頭組織分析

按照RCC-M SI400規(guī)定對評定試件的焊接接頭進(jìn)行宏觀取樣，并對試樣進(jìn)行腐蝕，焊接接頭區(qū)域未見未熔合、氣孔、夾渣、未焊透、裂紋等缺陷。

在顯微鏡下觀察焊縫根部、熔敷金屬、熔合線、熱影響區(qū)，結(jié)果如圖3所示，微觀組織為鐵素體(α)+奧氏體(γ)雙相組織，從微觀組織分析，奧氏體組織比例略高于鐵素體組織，未見不良化合相和沉淀物析出。

圖3 焊縫微觀組織形貌

3.2 化學(xué)成分及鐵素體含量測定

對熔敷金屬試樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見表3。

表3 熔敷金屬化學(xué)成分 (質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

按照ASMT E562法對試樣進(jìn)行鐵素體含量測定，結(jié)果見表4。

表4 鐵素體含量測定結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

通過熔敷金屬化學(xué)成分驗證點蝕當(dāng)量PRE(N)=1%Cr+3.3%Mo+16%N=42.3，滿足標(biāo)準(zhǔn)及客戶技術(shù)條件的要求。

母材、熱影響區(qū)及焊接接頭的鐵素體含量為30%～40%，形成奧氏體組織略占優(yōu)勢的雙相組織，具有優(yōu)良的耐腐蝕性。

3.3 力學(xué)性能試驗

根據(jù)ISO 15614-1中7.4.1要求，按照ISO4136進(jìn)行橫向拉伸取樣，根據(jù)ISO 15614-1中7.4.2要求，按照ISO 5173進(jìn)行橫向彎曲取樣，對焊接接頭進(jìn)行橫向拉伸試驗、橫向彎曲試驗、沖擊試驗、硬度檢測等力學(xué)性能試驗，試驗結(jié)果均符合要求，見表5。

表5 焊縫力學(xué)性能試驗結(jié)果

力學(xué)性能試驗表明，焊接接頭具有較好的拉伸性能、屈服強(qiáng)度及塑形，優(yōu)良的沖擊韌性和硬度，焊接接頭力學(xué)性能滿足要求。

3.4 耐腐蝕試驗

為驗證焊縫耐腐蝕性能，按照ASTM G48 A法對焊接接頭進(jìn)行耐點蝕及縫隙腐蝕試驗，試驗溫度22 ℃，在6%FeCL3溶液浸蝕劑下24 h，腐蝕重量損失不超過0.5 mg/cm2，評定試驗腐蝕量結(jié)果為0.04 mg/cm2，滿足技術(shù)條件要求。

按照RCC-M MC1000 A法對焊接接頭進(jìn)行晶間腐蝕試驗，試樣在浸蝕劑10%CuSO4·5H2O，10%H2SO4，80%H2O銅粒中腐蝕24 h，然后進(jìn)行675 ℃敏化處理，保溫10 min。經(jīng)對敏化腐蝕試樣和焊態(tài)試樣進(jìn)行180°彎曲試驗，彎曲后敏化腐蝕試樣及焊態(tài)試樣受拉面均未見裂紋等晶間腐蝕現(xiàn)象，晶間腐蝕滿足技術(shù)條件要求。

耐腐蝕試驗驗證了該雙相不銹鋼焊接后具有優(yōu)良的耐腐蝕性，在含氯化物的環(huán)境中抗應(yīng)力腐蝕能力較強(qiáng)。

4 葉輪產(chǎn)品焊接修復(fù)

葉輪鑄造后，經(jīng)滲透檢測、射線檢測后，對于發(fā)現(xiàn)的鑄造超標(biāo)缺陷，按照上述評定合格的焊接工藝進(jìn)行了焊補修復(fù)。為了減少和防止焊縫和熱影響區(qū)產(chǎn)生較高的鐵素體，以及避免焊接熱影響區(qū)的晶粒粗大現(xiàn)象，對產(chǎn)品焊接修復(fù)時嚴(yán)格執(zhí)行制定的焊接工藝參數(shù)，并執(zhí)行如下措施。

(1)按照上述評定合格的焊評，制定葉輪詳細(xì)的補焊工藝制度。

(2)葉輪補焊前，用丙酮清洗待補焊部位及周圍母材，確保待焊部位清潔無油污等。

(3)焊接過程中，采用接觸式測溫儀對焊補部位進(jìn)行層間道間溫度監(jiān)控，控制層間溫度不高于150 ℃。

(4)采用多層多道焊，盡可能減小焊接熱輸入，引弧熄弧要用砂輪打磨；相鄰焊道的引弧和熄弧盡可能錯開。

(5)滿焊后再施焊一道工藝焊縫，然后再將工藝焊縫打磨去除。

(6)補焊后進(jìn)行100%滲透檢測，若需要，也要進(jìn)行射線檢測。

5 結(jié)論

(1)通過合理的焊接工藝評定試驗，選擇匹配焊接材料及適用焊接方法，確定了Z6CNDU20-08M雙相不銹鋼循環(huán)泵葉輪的鑄件缺陷修復(fù)焊接工藝。

(2)已使用該焊接工藝進(jìn)行了多套同材質(zhì)葉輪的鑄件缺陷修復(fù)，經(jīng)滲透、射線等無損檢測后，沒有發(fā)現(xiàn)焊接敏感裂紋、氣孔等缺陷，鐵素體(α)-奧氏體(γ)雙相組織控制合理。焊接接頭耐腐蝕性能及力學(xué)性能符合RCC-M 標(biāo)準(zhǔn)及客戶技術(shù)規(guī)范要求。經(jīng)焊補修復(fù)的循環(huán)泵葉輪產(chǎn)品已交付客戶使用多年。