摘要： 研制了CHW-SEF3HR1/CHF703HR1核級(jí)焊材，對(duì)該配套焊絲焊劑進(jìn)行了組合焊接試驗(yàn)，通過(guò)渣系、堿度調(diào)整獲得了性能滿(mǎn)足核電工程低合金鋼要求的焊接材料。新研制的CHF703HR1焊劑配合焊絲CHW-SEF3HR1焊接工藝性能良好，焊接過(guò)程電弧穩(wěn)定，脫渣良好，熔敷金屬力學(xué)性能及低溫沖擊韌性均滿(mǎn)足技術(shù)要求，完全適用核電工程蒸汽發(fā)生器低合金鋼的焊接。

關(guān)鍵詞： 埋弧焊；焊劑；焊接材料；CHF703HR1

中圖分類(lèi)號(hào)：TG 47

Development ofnuclear grade welding material CHWSEF3HR1N/ CHF703HR1

YANG Fei¹， ZHANG Yi¹，ZHANG Qixian²，CUI Fan²" YANG Yuguo¹，DUAN Ran¹，BAI Chang¹

（ 1.Atlantic China Welding Consumables， INC， Zigong 643000， Sichuan， China；2.China General Nuclear Power Engineering Co.， Ltd.， Shenzhen， 518124， China）

基金項(xiàng)目： 工業(yè)和信息化部“超超臨界火電機(jī)組材料生產(chǎn)應(yīng)用示范平臺(tái)建設(shè)項(xiàng)目”（TC210H022）

Abstract： The CHW-SEF3HR1/ CHF703HR1 nuclear grade welding material was developed， and the combined welding test of the matching welding wire flux was carried out. The welding material with performance meeting the requirements of low alloy steel in nuclear power engineering was obtained by adjusting the slag system and alkalinity. The newly developed CHF703HR1flux with welding wire CHW-SEF3HR1has good welding process performance， stable arc and good deslagging in the welding process. The mechanical properties and low temperature impact toughness of the deposited metal meet the technical requirements， which is fully applicable to the welding of low alloy steel for steam generator in nuclear power engineering.

Key words： "Submerged arc welding; Flux; Welding materials; CHF703HR1

0 前言能源安全是國(guó)家經(jīng)濟(jì)安全的重要保證，國(guó)家核電是一項(xiàng)涉及國(guó)家經(jīng)濟(jì)安全的戰(zhàn)略性項(xiàng)目，隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的不斷發(fā)展，核電能源需求越來(lái)越大，開(kāi)展核電用鋼板配套焊接材料國(guó)產(chǎn)化研發(fā)和應(yīng)用具有重大意義^[1-4]。隨核電的大型化、高參數(shù)化，核級(jí)技術(shù)進(jìn)一步向優(yōu)質(zhì)、高效方向發(fā)展^[5-7]，同時(shí)對(duì)核電設(shè)備的焊接提出了更高的綜合性能要求，尤其在焊縫金屬的理化性能、焊接工藝性能等方面提出了更加苛刻要求^[8-10]。

在核級(jí)焊材研制的成分設(shè)計(jì)過(guò)程中，添加了合金元素進(jìn)行細(xì)晶粒強(qiáng)化，同時(shí)調(diào)整焊劑渣系、堿度等，對(duì)焊絲焊劑組合進(jìn)行焊接試驗(yàn)，焊接試板經(jīng)過(guò)不同熱處理工藝處理后，檢測(cè)熔敷金屬室溫、高溫力學(xué)性能、沖擊韌性、硬度、顯微組織等，形成CHW-SEF3HR1/CHF703HR1配套焊絲焊劑，為核電工程低合金鋼埋弧焊材的國(guó)產(chǎn)化以及相關(guān)工作的推廣提供支持。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 焊劑CHF703HR1成分設(shè)計(jì)

在焊劑成分設(shè)計(jì)中，通過(guò)調(diào)整焊劑成分、堿度等以獲得到良好的熔渣流動(dòng)性，根據(jù)工藝特點(diǎn)及性能要求，為得到良好的拉伸性能和低溫沖擊韌性，焊劑采用了氟堿性渣系。焊劑通過(guò)原材料的選用和加入少量合金的優(yōu)化，在CaF2-MgO-CaO-Al2O3-SiO2渣系基礎(chǔ)上獲得了低氫、低硫的焊縫金屬；同時(shí)，在焊劑中加入MgO、SiO2、CaO等氧化物，使焊縫獲得了良好的脫渣性、脫氧性、焊縫表面成型與力學(xué)性能；此外，采用氟堿性渣系焊劑并控制焊劑堿度（BⅡW）于標(biāo)準(zhǔn)范圍，嚴(yán)格控制S、P、N、Al含量。設(shè)計(jì)的CHF703HR1焊劑基礎(chǔ)配方主要成分見(jiàn)表1。

1.2 焊縫金屬成分設(shè)計(jì)

采用晶粒細(xì)化強(qiáng)化方式，以Mn-Si-Ni-Mo作為合金成分，保障焊縫金屬的高強(qiáng)度與塑韌性。在滿(mǎn)足成分的條件下，在CHF703HR1焊劑基礎(chǔ)配方中加入Mn、Ni、Mo合金，設(shè)計(jì)了9個(gè)不同熔敷金屬化學(xué)成分配方，研究主要化學(xué)成分Mn、Ni、Mo不同含量對(duì)熔敷金屬力學(xué)性能的影響，主要合金成分設(shè)計(jì)如表2所示，其他成分不變。

1.3 試驗(yàn)過(guò)程和方法

1.3.1 焊接方法

采用設(shè)計(jì)的9個(gè)配方焊劑CHF703HR1匹配焊絲CHW-SEF3HR1（規(guī)格φ4.0 mm）進(jìn)行焊接，焊接參數(shù)見(jiàn)表3。試板母材為Q345B （δ30 mm×200 mm×500 mm），開(kāi)坡口用焊條CHE608HR1φ3.2 mm進(jìn)行堆邊三層后刨邊，裝焊墊板后如圖1所示，按表3的焊接參數(shù)進(jìn)行埋弧焊接試板。

1.3.2 焊后熱處理

CHW-SEF3HR1/CHF703HR1焊絲焊劑組合熱處理工藝參數(shù)如表4所示。裝爐和出爐溫度為≤350 ℃，350 ℃以下出爐后可在靜止空氣中冷卻。

1.3.3 檢測(cè)

熔敷金屬檢驗(yàn)包含，金屬室溫拉伸試驗(yàn)、夏比V型缺口沖擊試驗(yàn)、落錘試驗(yàn)、硬度實(shí)驗(yàn)、金相檢測(cè)、擴(kuò)散氫含量檢測(cè)、工藝評(píng)定等項(xiàng)目。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 工藝性能

通過(guò)合金成分的設(shè)計(jì)，焊劑成分、熔渣粘度、表面張力、熔點(diǎn)等的調(diào)整，獲得了堿度高且焊接工藝性能良好的焊絲焊劑配套焊接材料CHW-SEF3HR1/CHF703HR1。按照表3中焊接參數(shù)進(jìn)行焊接，焊縫表面形貌如圖2所示，焊縫與母材過(guò)渡平滑，渣殼能自動(dòng)脫落，焊縫表面光亮、成形美觀。

2.2 熔敷金屬化學(xué)成分

埋弧焊CHW-SEF3HR1+CHF703HR1熔敷金屬化學(xué)成分如表5所示。由表5可見(jiàn)，熔敷金屬化學(xué)成分符合AWS5.23F9P4-EG-F3規(guī)定的要求。

2.3 熔敷金屬力學(xué)性能

2.3.1 拉伸性能

全焊縫熔敷金屬室溫和高溫拉伸試驗(yàn)按RCC-MSI120和RCC-MMC1210標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，試樣尺寸Φ10 mm×50 mm，取樣位置距離上表面10 mm。熔敷金屬拉伸性能如表6所示，拉伸性能完全滿(mǎn)足設(shè)計(jì)技術(shù)研發(fā)要求。

2.3.2 沖擊性能

夏比V型缺口沖擊試驗(yàn)按照RCC-MSI310和RCC-MMC1220標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，沖擊試樣應(yīng)按 RCC-MSI312進(jìn)行制備，沖擊試樣尺寸為10 mm× 10 mm× 55 mm，取樣位置距離上表面10 mm。熔敷金屬?zèng)_擊性能見(jiàn)表7，0℃、-20℃、-40℃沖擊功全部滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

以上結(jié)果可以看出，從配方1到配方3，隨著焊縫錳含量的增加，抗拉強(qiáng)度明顯有所提高，沖擊功也有所提高，較為穩(wěn)定，說(shuō)明錳元素的脫氧功能顯著，能有效降低焊縫含氧量，從而提高了熔敷金屬的沖擊韌性，但配方3錳到達(dá)上限，所以錳可適當(dāng)微調(diào)；配方5到配方7，隨著鉬含量的增加熔敷金屬抗拉強(qiáng)度先增加后減小，沖擊功均值降低，可以看出鉬元素對(duì)熔敷金屬?zèng)_擊功有不利影響，且抗回火脆性能力降低；配方7到配方9，隨著鎳含量的增加，抗拉強(qiáng)度和沖擊功都先增加后減小，鎳含量的增加可以適當(dāng)提高熔敷金屬?zèng)_擊功，但在特定合金體系中過(guò)高會(huì)增加晶界裂紋風(fēng)險(xiǎn)，從而降低沖擊功。

經(jīng)試驗(yàn)，初步確定核級(jí)埋弧焊絲焊劑組合CHW-SEF3HR1+CHF703HR1的熔敷金屬化學(xué)成分設(shè)計(jì)范圍，最終確定按8號(hào)配方高錳低硅低鉬中鎳金體系配方進(jìn)行落錘、脆性轉(zhuǎn)變等試驗(yàn)。

2.4 落錘試驗(yàn)

試驗(yàn)分別在焊態(tài)和焊后熱處理態(tài)下進(jìn)行，試樣類(lèi)型為P3類(lèi)，尺寸符合ASTME208要求，按ASTME208標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表8所示。試驗(yàn)溫度應(yīng)不高于-27 ℃，驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)為兩個(gè)試樣不斷裂，TNDT溫度應(yīng)不高于-27 ℃。

由表8，焊后熱處理620 ℃×2 h：TNDT為-75 ℃，焊后熱理態(tài)620℃×24h：TNDT 為-65℃，滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)TNDT≤-27℃的要求。

2.5 脆性轉(zhuǎn)變曲線(xiàn)

夏比V型沖擊轉(zhuǎn)變曲線(xiàn)應(yīng)滿(mǎn)足RCC-MSI331和RCC-MMC12。按標(biāo)準(zhǔn)要求，KV轉(zhuǎn)變曲線(xiàn)應(yīng)至少?gòu)?個(gè)不同溫度下的試驗(yàn)中確定，每一個(gè)溫度試驗(yàn)1組（3個(gè)試樣），通過(guò)選定的試驗(yàn)溫度提供一條足夠圓滑的曲線(xiàn)。按標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行試驗(yàn)后，將試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制成脆性轉(zhuǎn)變曲線(xiàn)，見(jiàn)圖3。由圖3可見(jiàn)，依據(jù)脆性轉(zhuǎn)變曲線(xiàn)按27J能量標(biāo)準(zhǔn)判定，620 ℃×2 h熱處理樣品脆性轉(zhuǎn)變溫度高于-80 ℃，620 ℃×24 h熱處理樣品脆性轉(zhuǎn)變溫度高于-70 ℃，二者均能完全滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)對(duì)脆性轉(zhuǎn)變溫度的要求。

2.6 硬度實(shí)驗(yàn)

熱處理樣品硬度值檢測(cè)結(jié)果如表9所示。表9可見(jiàn)，620 ℃×2 h熱處理樣品硬度平均值為223 HV5，620 ℃×24 h熱處理樣品硬度平均值為 220 HV5。硬度試驗(yàn)結(jié)果≤320 HV，都滿(mǎn)足技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.7 熔敷金屬顯微組織

垂直和平行于焊接方向焊縫橫截面宏觀組織見(jiàn)圖4。由圖4（a）、圖4（b）可見(jiàn)，宏觀檢驗(yàn)無(wú)裂紋、未焊透，熔敷金屬?zèng)]有出現(xiàn)與母材未結(jié)合或焊道間未結(jié)合、未熔合現(xiàn)象，也沒(méi)有出現(xiàn)超過(guò)射線(xiàn)照相標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定尺寸的氣孔。

經(jīng)620 ℃×2 h和620 ℃×24 h熱處理的熔敷金屬末道焊顯微組織如圖5。由圖5（a）可以看出組織為貝氏體+晶界析出物，圖5（b）為貝氏體。微觀形貌中沒(méi)有出現(xiàn)顯微裂紋和因淬火而形成的異常組織。

2.8 熔敷擴(kuò)散氫含量

熔敷金屬擴(kuò)散氫含量依據(jù)AWSA4.3標(biāo)準(zhǔn)，熔敷金屬擴(kuò)散氫含量如表10所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，熔敷金屬擴(kuò)散氫含量小于4.0 mL/100 g，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)研發(fā)要求。

3 工藝評(píng)定

新研制的CHW-SEF3HR1/CHF703HR1配套焊絲焊劑，通過(guò)第三方進(jìn)行了性能評(píng)估試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，工藝性能達(dá)到進(jìn)口焊材先進(jìn)水平，具有良好的脫渣性，焊縫成形均勻，埋弧焊接工藝適應(yīng)性好，焊縫金屬化學(xué)成分和力學(xué)性能滿(mǎn)足研發(fā)技術(shù)要求。

4 結(jié)論

（1） 新研制的CHF703HR1焊劑配合焊絲CHW-SEF3HR1焊接工藝性能良好，焊接過(guò)程電弧穩(wěn)定，脫渣良好，具有良好的焊接工藝性。

（2） CHW-SEF3HR1/CHF703HR1配套焊絲焊劑熔敷金屬低溫沖擊吸收能量均勻穩(wěn)定，力學(xué)性能及低溫沖擊韌性均滿(mǎn)足研發(fā)技術(shù)要求且有一定的富裕量。

（3） 文中基于CaF2-MgO-CaO-Al2O3-SiO2氟堿型CHF703HR1焊劑能夠有效控制熔敷金屬中S，P元素含量，有效降低了熔敷金屬的裂紋敏感性。

（4） CHW-SEF3HR1/CHF703HR1配套焊絲焊劑熔敷金屬性能滿(mǎn)足核電工程低合金鋼的焊接。

參考文獻(xiàn)

［1］ 耿書(shū)炎，彭培松，謝東，等.核電用鋼板熱處理工藝的研究[J].寬厚板，2019， 25（5）：30-32.

[2] 羅英，鄭浩，邱天，等.核級(jí)主設(shè)備焊接技術(shù)探討及展望[J].電焊機(jī)，2020，50（9）：194-201.

[3] Yao L， Chang Y. Energy security in China： a quantitative analysis and policy implications[J]. Energy Policy， 2014， 67： 595-604.

[4] 高樹(shù)超.立足核電設(shè)備國(guó)產(chǎn)化推動(dòng)核電高質(zhì)量發(fā)展[J].中國(guó)核電，HYPERLINK\"http：//gffzgdddef562cf71474cs6x06nwqob5q56qq5.ffgb.suse.cwkeji.cn：999/mag/infos？mags=c5aa19d5a97868b3f9755593767ce92d\"＼t\"_blank\"2020（4）：419-422.

[5] 黃琰，丁立，羅會(huì)亮，等.基于DIC技術(shù)的6005A-T6鋁合金焊接接頭非均勻循環(huán)變形實(shí)驗(yàn)研究[J].四川理工學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2018，31（02）：55-61.

[6] 李照廣，張全貞，呂建.鋼結(jié)構(gòu)焊接的Ansys數(shù)值模擬[J].四川理工學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2016，29（5）：38-42.

[7] 徐祥久，王莉，杜玉華，等.SA-508Gr.3Cl.1厚板焊接工藝接焊接接頭性能驗(yàn)研究[J].電焊機(jī)，2013，43（9）：87-90.

[8] 蘇仲鳴.焊劑的性能與使用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1989.

[9] 胡廣澤，王剛，于杰， 等.核電站用鋼制安全殼縱焊縫的焊后熱處理畸變[J].金屬熱處理，2021，46（1）：220-224.

[10] 張秀海.一種核電裝備焊接用高堿度低氫型埋弧焊焊劑[J].一重技術(shù)，2020（4）：40-42.

收稿日期： 2024-06-26

楊飛簡(jiǎn)介： 1977年出生，研究生，高級(jí)工程師，主要從事焊接材料方向的研究。

通信作者簡(jiǎn)介： 張毅，1984年出生，本科，工程師，主要從事焊接材料方向的研究。