吳 慶

(江蘇核電有限公司，江蘇 連云港 222042)

表1 兩種堆焊工藝的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)[6]Table 1 Technical and economic indicators of different surfacing process [6]

20世紀(jì)80年代俄羅斯研發(fā)了НП-03Х22Н11Г2Б焊帶和ФЦ-18熔煉焊劑的單層均質(zhì)電渣堆焊材料[5]，但因其質(zhì)量不穩(wěn)定，熔敷金屬中碳含量不能始終滿足≤0.04%的要求，無法保證穩(wěn)定的抗晶間腐蝕性能，因此單層均質(zhì)電渣堆焊未能在主設(shè)備上真正使用。為使該工藝能實(shí)際應(yīng)用到VVER型核電機(jī)組主設(shè)備上，從2007年起，俄羅斯中央材料院和伊佐爾廠開展了多種焊材組合的試驗(yàn)，最終選用ESAB公司的OK Band 11.72 (309LNb ESW)焊帶和OK Flux 10.10焊劑完成了單層均質(zhì)防腐層電渣堆焊工藝的研究和開發(fā)。經(jīng)論證其具有優(yōu)良的堆焊質(zhì)量，可以用于VVER型核電機(jī)組穩(wěn)壓器內(nèi)部防腐蝕層堆焊上。

1 單層均質(zhì)電渣堆焊焊接工藝選擇

1.1 焊材選擇

根據(jù)多種牌號(hào)焊材組合的試驗(yàn)結(jié)果，OK Band 11.72焊帶和OK Flux 10.10焊劑焊接得到的熔敷金屬化學(xué)成分與НП-03Х22Н11Г2Б焊帶匹配ФЦ-18焊劑的熔敷金屬成分類似，并且熔敷金屬中的鐵素體含量為4%～8%，兩者焊材熔敷金屬的化學(xué)成分見表2。

表2 單層均質(zhì)防腐層熔敷金屬化學(xué)成分Table 2 The chemical composition of the deposited metal of the single-layer homogeneous anti-corrosion layer

電渣堆焊要求熔渣池具有導(dǎo)電性，提高焊劑中氟化物含量可以增加渣池的電導(dǎo)率，氟化物含量超過50%為熔渣熔化[4]，OK Flux 10.10焊劑中CaF2比例為63%[7]。

1.2 施加外部磁場(chǎng) 保證焊道成型

電渣堆焊的電流從焊帶平行地流向熔池尾部，所產(chǎn)生的力使熔渣和熔融金屬?gòu)娜鄢氐倪吘壪蛑行囊苿?dòng)，造成焊道邊緣處熔融金屬不足而產(chǎn)生咬邊。通過施加外部磁場(chǎng)，產(chǎn)生等于或略大于焊接流體力的反向洛倫茲力，來保證將熔融金屬均布到焊道邊緣部位，消除沿其邊緣和搭接處的凹陷和咬邊，獲得表面成型良好的焊道。

外部磁場(chǎng)的電流越大，熔融金屬向邊緣的流動(dòng)性越大，但母材稀釋率也隨之增加，因此外部磁場(chǎng)僅需弱到不產(chǎn)生咬邊即可，并且外加磁場(chǎng)的電流與焊帶寬度成正比，小于50 mm寬的焊帶無需外加磁場(chǎng)。洛倫茲力與外部磁場(chǎng)的關(guān)系見表3，2 A的電流通過線圈產(chǎn)生700 dyn/cm的力，該力可以完全滿足熔渣和熔融金屬的流動(dòng)力，不會(huì)產(chǎn)生咬邊[4]，堆焊表面質(zhì)量如圖1所示。

圖1 熔敷金屬表面質(zhì)量Fig.1 Surface quality of the deposited metal

表3 電磁線圈電流與洛倫茲力之間的關(guān)系Table 3 The relationship between the current through the electromagnetic coil and Lorentz force

1.3 確定焊接工藝參數(shù)

電渣堆焊焊接工藝參數(shù)與焊道高度、母材稀釋率以及鐵素體含量之間關(guān)系密切。焊道高度隨著電流、電壓的增大而增加，與焊接速度成反比；母材稀釋率隨著電壓的增加而減少，與焊接速度成正比；鐵素體含量與電流和電壓成正比，與焊接速度呈線性下降關(guān)系[4]。經(jīng)試驗(yàn)，不同截面尺寸焊帶的電渣堆焊最佳焊接工藝參數(shù)見表4。

表4 不同截面尺寸焊帶最佳焊接工藝參數(shù)Table 4 Optimal welding parameters of welding strips with different cross-section sizes

2 堆焊質(zhì)量驗(yàn)證

為了驗(yàn)證OK Band 11.72焊帶和OK Flux 10.10焊劑的熔敷金屬是否能夠滿足VVER型核電機(jī)組穩(wěn)壓器內(nèi)表面防腐蝕層的質(zhì)量要求，在試板上進(jìn)行了連續(xù)單層焊道的熔敷，取樣并對(duì)試樣進(jìn)行45 h的620～660 ℃回火熱處理，進(jìn)行了相關(guān)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。

2.1 金相組織

熔敷金屬的微觀組織：熔合區(qū)是10～50 μm寬的低碳馬氏體組織過渡層如圖2(a)所示，熱處理后該過渡層增加到15～60 μm如圖2(b)所示，表明熱處理后增加不大。初始狀態(tài)熔敷金屬是帶有鐵素體相的奧氏體組織，δ鐵素體以分散沉淀和網(wǎng)狀碎片的形式呈現(xiàn)如圖3(a)所示，經(jīng)回火熱處理后僅極少部分δ相鐵素體轉(zhuǎn)化為σ相如圖3(b)所示，表明初始狀態(tài)和熱處理后熱影響區(qū)的組織均未改變。

圖2 熔合區(qū)微觀組織Fig.2 The microstructure of the fusion zone

圖3 熔敷金屬微觀組織Fig.3 The microstructure of the deposited metal

圖4為堆焊層在初始狀態(tài)和熱處理后顯微硬度的變化。圖中陡峭的曲線突變是低碳馬氏體組織熔合區(qū)；熱影響區(qū)顯微硬度增加，隨著離開熔合線的距離越遠(yuǎn)，顯微硬度下降，熱處理后熱影響區(qū)的塑性性能增加，熔敷金屬回火熱處理后顯微硬度有一定增加。

圖4 堆焊層顯微硬度變化Fig.4 Changes in the micro-hardness of the surfacing layer

2.2 機(jī)械性能

熔敷金屬機(jī)械性能實(shí)驗(yàn)證明其機(jī)械性能能夠滿足要求，見表5。初始狀態(tài)和熱處理后帶母材和熔敷金屬的靜態(tài)彎曲試樣沿著和垂直于堆焊方向切割，試樣正面彎曲的彎曲角度為40°，側(cè)面彎曲的彎曲角度為30°，靜態(tài)彎曲實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明在拉伸表面、側(cè)面以及熔敷金屬與母材的熔合區(qū)均未發(fā)現(xiàn)裂紋、分層和其他缺陷。

表5 熔敷金屬試樣機(jī)械性能Table 5 Mechanical properties of the deposited metal samples

2.3 抗晶間腐蝕性能

OK Band 11.72焊帶屬于超低碳不銹鋼，并添加了鈮元素，鈮/碳≥12[8]。抗晶間腐蝕試驗(yàn)按照俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)ГОСТ 6032—2003，采用АМУ法對(duì)熔敷金屬初始狀態(tài)和熱處理后的樣品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果證實(shí)熔敷金屬具有良好的抗晶間腐蝕性能。

2.4 抗熱裂紋性能

熔敷金屬中鐵素體含量是決定熱裂紋敏感性的關(guān)鍵指標(biāo)[3，4]，如果組織中有少量鐵素體，則抗裂性會(huì)顯著提高，因?yàn)殍F素體破壞了奧氏體晶粒的連續(xù)性，變?yōu)闄M晶，成為奧氏體晶體之間的中間層[9]。因此，要求熔敷金屬中鐵素體含量必須在2%～8%區(qū)間。

檢驗(yàn)熔敷金屬是否具備抗熱裂紋性能還需通過抗熱裂性實(shí)驗(yàn)，用4～7倍的放大鏡在熔敷金屬酸蝕后的宏觀磨片上進(jìn)行檢查，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，無論是在初始狀態(tài)還是在最長(zhǎng)的回火熱處理周期后的宏觀磨片上都未發(fā)現(xiàn)熱裂紋。

2.5 熱影響區(qū)再熱裂紋傾向

傳統(tǒng)的雙層埋弧堆焊曾發(fā)現(xiàn)過在珠光體鋼熱影響區(qū)中出現(xiàn)層下裂紋的情況，這種層下裂紋容易在多道焊的后續(xù)焊道對(duì)前面焊道的熱影響或焊后熱處理的熱循環(huán)作用而形成[10]。電渣堆焊由于熱輸入線能量較埋弧堆焊低，并且熔合區(qū)窄，熱影響區(qū)組織不易發(fā)生變化，因此相比埋弧焊產(chǎn)生再熱裂紋的幾率低[11]。母材去除防腐層后焊道搭接區(qū)域試樣彎曲實(shí)驗(yàn)也證明了未發(fā)現(xiàn)層下裂紋。

2.6 焊接缺陷

與埋弧焊相比，電渣堆焊由于焊道被高溫熔渣覆蓋，焊縫金屬凝固速率較低，有利于氣體和夾雜類的上浮，因此熔敷金屬中非金屬夾雜少，氣孔類和夾渣類缺陷少[4]。外加磁場(chǎng)可以獲得成型良好的焊道邊緣和浸潤(rùn)角，消除咬邊。無損檢測(cè)證明了熔合區(qū)和熔敷金屬內(nèi)部很少產(chǎn)生未熔合和夾渣類缺陷。

3 問題改進(jìn)

雖然單層均質(zhì)電渣堆焊具有上述很多優(yōu)點(diǎn)，但實(shí)際施焊前還需注意以下內(nèi)容，才能獲得高質(zhì)量的堆焊層。

1)熔敷金屬化學(xué)成分檢測(cè)取樣位置：因?yàn)閱螌泳|(zhì)熔敷金屬必須反映母材稀釋的作用，代表熔敷金屬中合金化元素的實(shí)際含量(特別是鉻元素)，因此焊材入廠復(fù)驗(yàn)的化學(xué)成分檢測(cè)取樣位置應(yīng)在只堆焊一遍熔敷金屬上取樣，而不能在堆焊多遍的熔敷金屬上取樣。

2)合理調(diào)整磁控裝置電流：由于需要采用外加磁控裝置來防止咬邊，實(shí)際施焊時(shí)必須合理布置磁極位置，分別調(diào)整南、北兩個(gè)磁極的磁控電流，通過試焊觀察焊道的浸潤(rùn)角和表面成型狀況來確定兩邊激磁電流各自的大小，保證電流盡可能地小。

3)返修焊材：目前還無匹配的單層均質(zhì)返修焊材，對(duì)于熔合區(qū)缺陷的返修仍需采用Св-07X25H13和Св-04X20H10Г2Б焊絲的雙層氬弧堆焊，或?qū)?yīng)的藥皮焊條手工電弧焊。

4)避免熔合區(qū)未熔合：由于母材熔深淺，操作不當(dāng)或焊接工況調(diào)整不當(dāng)會(huì)出現(xiàn)與熔合區(qū)或道間未熔合的可能性。實(shí)際電渣堆焊的缺陷大多屬未熔合缺陷，避免了未熔合缺陷，也就避免了焊縫返修。

5)在其他主設(shè)備上的應(yīng)用：由于單層均質(zhì)電渣堆焊熔敷層厚度僅為5 mm左右，無法直接推廣應(yīng)用到需要進(jìn)行內(nèi)表面防腐蝕層機(jī)加工的主設(shè)備上，如反應(yīng)堆壓力容器和蒸汽發(fā)生器集流管。由于單層均質(zhì)堆焊熔敷金屬中缺陷少、熱輸入小對(duì)母材產(chǎn)生的熱影響小以及焊接應(yīng)力小等優(yōu)點(diǎn)，因此應(yīng)用在上述設(shè)備上能夠避免上述設(shè)備在役期間易出現(xiàn)的問題。針對(duì)這些主設(shè)備的單層均質(zhì)堆焊可以采用堆焊兩層均質(zhì)防腐層的方式，但需開展后續(xù)實(shí)驗(yàn)研究。

6)焊帶中鈮含量的控制：焊帶屬超低碳不銹鋼，并且高含量的鈮進(jìn)入熔合區(qū)會(huì)有層下裂紋的風(fēng)險(xiǎn)，因此鈮含量應(yīng)取下限。特別要通過無損檢測(cè)的方法檢測(cè)熔合區(qū)和熱影響區(qū)是否有層下裂紋。

4 結(jié)論

實(shí)驗(yàn)證明OK Band 11.72焊帶與OK Flux 10.10焊劑的電渣堆焊單層均質(zhì)防腐蝕層具有良好的綜合機(jī)械性能、抗晶間腐蝕能力和穩(wěn)定的抗熱裂紋形成能力，并且非金屬夾雜少，不易形成氣孔、未熔合、夾渣、再熱裂紋等缺陷，可以用于VVER型核電機(jī)組穩(wěn)壓器和安注箱的制造。目前單層均質(zhì)防腐蝕層電渣堆焊工藝已在國(guó)內(nèi)4臺(tái)VVER機(jī)組核電機(jī)組穩(wěn)壓器上得到應(yīng)用。