埋弧焊焊縫金屬?zèng)_擊性能的影響因素及改進(jìn)

鐘斌成，單 揚(yáng)，徐秋偉

（1.上海交通大學(xué)，上海 200040；2.上海電氣電站設(shè)備有限公司電站輔機(jī)廠，上海 200090；3.華能南京金陵發(fā)電有限公司，江蘇 南京 210034）

0 概 述

近年來(lái)，中國(guó)核電工業(yè)的發(fā)展迅速，核能發(fā)電在國(guó)家能源結(jié)構(gòu)上所占的比重也越來(lái)越高。由于核電行業(yè)的特殊性，控制核電設(shè)備的制造質(zhì)量是重中之重。20HR－B是核電壓力容器常用的材料，該類材料拼接、焊縫性能，對(duì)壓力容器制造質(zhì)量的影響是至關(guān)重要的，所以，要求拼接焊縫具有良好的拉伸、沖擊性能，均勻的化學(xué)成分和金相組織，不能有氣孔、夾渣、裂紋、未融合、未焊透等缺陷。若出現(xiàn)這些缺陷，則必須停工整修或者報(bào)廢。

1 焊接試驗(yàn)與材料

某型核電設(shè)備采用了20HR－B材料，根據(jù)要求，需對(duì)埋弧焊的焊接見(jiàn)證件進(jìn)行－20℃和0℃狀態(tài)下的沖擊試驗(yàn)。試驗(yàn)中，焊接見(jiàn)證件的沖擊值多次出現(xiàn)達(dá)不到要求的情況。為此，通過(guò)對(duì)材質(zhì)和加工工藝的分析和研究，制定了相應(yīng)的整改措施。通過(guò)多次對(duì)焊縫金屬?zèng)_擊不合格的埋弧焊焊絲和焊劑進(jìn)行不同焊接工藝參數(shù)的試板焊接，并對(duì)試板焊縫金屬進(jìn)行－20℃和0℃沖擊試驗(yàn)，宏觀分析了試板焊道的組成，并對(duì)正反面最后焊道進(jìn)行金相組織分析，查清了引起焊縫金屬?zèng)_擊不合格的原因。經(jīng)過(guò)數(shù)月實(shí)踐和試驗(yàn)參數(shù)的積累，探索了影響埋弧焊焊縫金屬?zèng)_擊性能的各項(xiàng)因素。

試驗(yàn)采用的材料為20HR－B，試板規(guī)格為18 mm×300mm×（400～800）mm，V型坡口為65°，坡口鈍邊為6mm，焊接材料的牌號(hào)為H09MnHR焊絲和SJ18HR焊劑。

2 影響焊縫沖擊性能的因素

為找出焊縫金屬?zèng)_擊不合格的原因，采用因果圖繪制了焊縫沖擊性能及其影響因素之間的關(guān)系，如見(jiàn)圖1所示。分析了各影響因素的重要程度，最終確定產(chǎn)生不合格的原因并提出整改措施。

圖1 影響焊縫沖擊性能的因果圖

3 試驗(yàn)過(guò)程及方法

對(duì)20HR－B試板進(jìn)行焊接試驗(yàn)，通過(guò)改變焊接工藝參數(shù)，先后焊接了15塊試板，進(jìn)行了一系列化學(xué)成分、力學(xué)性能及金相試驗(yàn)，最終通過(guò)圖片與數(shù)據(jù)的對(duì)比，獲知了埋弧焊焊縫金屬?zèng)_擊性能的影響因素。

3.1 原材料對(duì)沖擊性能的影響

批號(hào)為F09HC29和F09HC30的H09MnHR焊絲和SJ18HR焊劑，原材料驗(yàn)收為合格。為了排除原材料性能對(duì)焊縫金屬?zèng)_擊性能的影響，再次對(duì)同批號(hào)焊絲和焊劑進(jìn)行了入廠復(fù)驗(yàn)試板的焊接，并做了焊態(tài)力學(xué)性能試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。試驗(yàn)結(jié)果顯示，試板焊態(tài)力學(xué)性能試驗(yàn)為合格，排除了原材料對(duì)焊縫金屬?zèng)_擊性能帶來(lái)的影響。

除了對(duì)原材料性能存在疑問(wèn)，對(duì)焊絲和焊劑是否含有混料也有一定懷疑，因而對(duì)焊絲和試板進(jìn)行了化學(xué)成分分析，分析檢驗(yàn)的結(jié)果，如表2所示。從表2的檢驗(yàn)結(jié)果可知，各盤焊絲及焊縫金屬的化學(xué)成分都在合格范圍內(nèi)，且比較均勻，因此不存在焊絲、焊劑混料的情況。

3.2 焊接參數(shù)對(duì)沖擊性能的影響

焊接時(shí)線能量的大小，對(duì)焊縫性能的影響頗大。試驗(yàn)時(shí)，先模擬了極端大線能量的情況，即通過(guò)大電流、高電壓、較慢速度的不同組合，以大于40kJ／cm的線能量進(jìn)行試板焊接，試板編號(hào)為S1和S2，焊后對(duì)試板進(jìn)行了沖擊試驗(yàn)，數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。試驗(yàn)結(jié)果表明，S1試板不合格，S2試板雖然合格，但數(shù)據(jù)的裕量不大，且沖擊數(shù)值的波動(dòng)幅度較大。

表1 焊縫金屬的力學(xué)性能

表2 對(duì)焊絲、焊縫金屬化學(xué)成分的分析結(jié)果

?項(xiàng)目 編號(hào) Cr Ni Mo V Cu庫(kù)存焊絲1－1 0.03 1.09 0.004 ﹤0.009 ／1－2 0.02 1.08 0.002 ﹤0.001 ／2－1 0.005 1.12 0.001 ﹤0.001 ／2－2 0.005 1.11 0.001 ﹤0.001 ／3－1 0.004 1.09 0.001 ﹤0.001 ／3－2 0.003 1.07 0.001 ﹤0.001 ／試板用焊絲 0.011 1.04 0.023 ﹤0.001 0.010焊縫金屬 正面 0.065 0.84 0.005 ﹤0.001 0.046反面 0.063 0.87 0.005 ﹤0.001 0.041

表3 極端大線能量焊接試板S1、S2沖擊數(shù)值

隨后的焊接試驗(yàn)中，將線能量下調(diào)至30～40 kJ／cm，主要通過(guò)減小焊接電流及焊接速度，電壓基本不變，同時(shí)選擇同批號(hào)不同盤的焊絲、焊劑進(jìn)行試板焊接，試板編號(hào)為S3～S6，對(duì)其進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。試驗(yàn)結(jié)果表明，試板S4、S5、S6的沖擊值不合格，且數(shù)值很低，S3試板雖然合格，但裕量不大。

表4 焊接試板S3～S6沖擊數(shù)值

為此，繼續(xù)降低線能量至20～30kJ／cm，主要通過(guò)下降焊接電壓、提高焊接速度，進(jìn)行試板焊接，試板編號(hào)為S7～S10，并進(jìn)行了沖擊試驗(yàn)，數(shù)據(jù)見(jiàn)表5。試驗(yàn)結(jié)果表明，試板S7、S8、S9的沖擊值仍有不合格，但整體的數(shù)據(jù)有所提高，S10試板用的是從一級(jí)庫(kù)中取出的同一批號(hào)的焊絲和焊劑，焊接工藝參數(shù)與試板S3～S6相同，試板S10的沖擊值不合格，而且普遍偏低。

表5 焊接試板S7～S10沖擊數(shù)值

綜合試驗(yàn)數(shù)據(jù)后，繪制了不同焊接參數(shù)下焊縫金屬?zèng)_擊性能的變化曲線，如圖2所示。從圖2可知，試板S2焊縫的正面數(shù)據(jù)表現(xiàn)異常，可能是由于取樣位置或其它原因所致。排除此異常數(shù)據(jù)后，可看出當(dāng)焊接線能量降低至20～30kJ／cm時(shí)，試板S7～S9的焊縫正面沖擊性能有明顯提高，焊縫反面的沖擊性能值則對(duì)線能量的變化不太敏感。調(diào)整焊接線能量的大小，主要通過(guò)改變焊接電流、電弧電壓以及焊接速度來(lái)實(shí)現(xiàn)，其中電弧電壓的影響較大，電弧電壓高，焊劑中的氧化硅會(huì)過(guò)多的熔入焊縫金屬中，使焊縫金屬的硅含量增加，這將降低焊縫金屬的沖擊性能，降低電弧電壓的同時(shí)，焊接電流與焊接速度要匹配，電流大則焊接速度也要相應(yīng)提高。

圖2 不同焊接參數(shù)下焊縫金屬?zèng)_擊性能的變化

3.3 焊道排列對(duì)沖擊性能的影響

焊道的排列對(duì)中薄板的焊縫金屬有一定影響，為此，選擇了4塊較典型的試板（S5、S7、S8、S9），利用試驗(yàn)剩余的試板，在焊縫上加一層單道焊，再對(duì)焊縫金屬進(jìn)行－20℃沖擊試驗(yàn)，重點(diǎn)檢測(cè)焊縫反面的沖擊性能數(shù)據(jù)，所測(cè)的結(jié)果，如表6、圖3所示。測(cè)試結(jié)果顯示，追加焊道后試板的焊縫金屬，其反面的沖擊性能均有所提高。

表6 焊接試板加焊前后焊縫反面沖擊數(shù)據(jù)

圖3 焊道排列對(duì)焊縫金屬?zèng)_擊性能的影響

3.4 低熔點(diǎn)金屬成分對(duì)沖擊性能的影響

鑒于低熔點(diǎn)成分對(duì)于焊縫金屬?zèng)_擊性能的影響，對(duì)S5焊縫金屬進(jìn)行了低熔點(diǎn)成分分析，試驗(yàn)后得出的數(shù)據(jù)，如表7所示。表7的數(shù)據(jù)表明，S5焊縫金屬?zèng)]有明顯的低熔點(diǎn)成分異常，同時(shí)，還請(qǐng)上海交通大學(xué)材料學(xué)院進(jìn)行了沖擊試樣斷口的低熔點(diǎn)成分分析，也沒(méi)有發(fā)現(xiàn)異?，F(xiàn)象。

3.5 母材厚度對(duì)焊縫金屬?zèng)_擊性能的影響

母材厚度的變化對(duì)焊縫沖擊性能存在一定程度的影響。根據(jù)焊接經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)母材厚度小于16mm時(shí)，通常采用一層焊道進(jìn)行焊接，厚度大于20mm時(shí)，通常采用多層焊道焊接的方式，介于兩者厚度之間的焊縫，若采用一層焊道焊接其焊接性能可能會(huì)有所下降。

根據(jù)實(shí)際試驗(yàn)情況，采用低線能量焊接參數(shù)，對(duì)S11～S13試板進(jìn)行焊接，選用焊接工藝參數(shù)與焊接試板S7～S9的焊接參數(shù)相近，電弧電壓下降了2V，另外增加了焊道并采取了加一層一道焊或兩道焊等措施，即多層多焊道的操作工藝。焊后進(jìn)行了沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表8所示。從表8可知，試板的焊縫金屬?zèng)_擊值有明顯的提高。

表8 焊接試板S11～S13沖擊數(shù)值

3.6 焊縫的金相組織

圖4 試板S8及S11金相組織

分別對(duì)S8和S11焊接試板進(jìn)行了宏觀檢驗(yàn)和微觀金相組織分析，如圖4所示。圖4中顯示，焊接參數(shù)改變前的S8試板晶粒粗大，局部有少量魏氏組織，而焊接參數(shù)改變后，S11試板的晶粒明顯縮小，晶粒組織已恢復(fù)成正常狀態(tài)，也未發(fā)現(xiàn)魏氏組織。圖4中，顯示了S8試板接頭的橫截面，可見(jiàn)焊道的熔深較大，焊道表面較寬，焊道橫截面呈蘑菇狀。在S11試板接頭的橫截面中，可見(jiàn)焊道的熔深較淺，焊道恢復(fù)了正常狀態(tài)。

4 結(jié) 語(yǔ)

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)試板焊接工藝參數(shù)、沖擊試驗(yàn)數(shù)據(jù)、焊縫金屬成分進(jìn)行了綜合分析，獲得了母材焊接方面的主要參數(shù)，并分析了影響金屬?zèng)_擊性能的各種因素。

（1）焊縫金屬?zèng)_擊值不達(dá)標(biāo)與焊接參數(shù)的選擇有很大關(guān)系，過(guò)大的線能量會(huì)影響焊縫金屬的沖擊性能。

（2）追加焊道的施焊方法，有助于提高焊縫金屬的沖擊性能，且采用多層多焊道的方法，會(huì)使效果更加明顯。

（3）在選擇了合適的焊接電流和焊接速度的同時(shí)，降低電弧電壓對(duì)提高焊縫金屬的沖擊性能是有利的。