基于A508/ER347鋼的不銹鋼堆焊層組織分析

宋怡漾，王　理，蘆麗莉，潘曉冬，葉義海，王　建

（中國核動力研究設計院四所，四川成都610041）

基于A508/ER347鋼的不銹鋼堆焊層組織分析

宋怡漾，王理，蘆麗莉，潘曉冬，葉義海，王建

（中國核動力研究設計院四所，四川成都610041）

選取三種不同化學成分的不銹鋼焊材，在帶有不銹鋼覆層的合金鋼上，采用手工氬弧堆焊工藝依次進行三種不銹鋼堆焊層的堆焊試驗。采用光學顯微鏡、鐵素體測試儀及顯微硬度計對三種堆焊層分別進行組織檢查、鐵素體檢測以及硬度測試，結果表明，缺陷發(fā)生風險最大的堆焊層區(qū)域的組織、硬度及鐵素體含量正常；采用高Ni不銹鋼焊材焊接的堆焊層的組織形貌、顯微硬度及能譜分析結果均支持熔合區(qū)存在部分馬氏體轉變或一定量的碳化物，且焊層間出現了再熱裂紋；采用奧氏體不銹鋼焊材堆焊的堆焊層的宏微觀組織、顯微硬度及鐵素體含量均正常?？偨Y了堆焊工藝的關鍵控制要點。對核電設備維修中類似組合材料的堆焊工藝應用具有指導作用及參考意義。

低合金鋼；不銹鋼；堆焊；馬氏體；碳化物

0　前言

隨著我國核電規(guī)模的日趨擴大，旨在厚膜改質或修覆表面缺陷堆焊工藝的應用越來越多。典型應用之一是以A508系為代表的低合金鋼以其強度高、價格低等優(yōu)勢特點用于制造反應堆壓力容器、穩(wěn)壓器和蒸汽發(fā)生器的殼體等。在進行容器殼體與不銹鋼管道連接時，為了保證組織和性能的平穩(wěn)過渡，通常都需要在低合金鋼上堆焊不銹鋼或鎳基合金作為過渡、隔離或保護層后再與不銹鋼管道進行對接焊接，如圖1所示。

在A508系低合金鋼側直接堆焊不銹鋼時因基體和材料的成分、組織和性能差異性大，堆焊后會產生焊縫稀釋及馬氏體形成、熔合線附近成分顯著變化、C擴散和內應力等一系列問題。這些問題帶來的后果是：作為核安全一級部件，在長期的運行期間受高溫、高壓、中子輻照及高低溫疲勞載荷作用下，將產生很大的安全風險。鑒于此，在有合金鋼與其他材料（多數是不銹鋼）連接需求時，必須先通過堆焊不銹鋼或鎳基的堆焊層作為隔離、過渡或保護。然而在不同需求時，所需的堆焊層材料和工藝會有所不同。本研究在帶有不銹鋼覆層的合金鋼上堆焊不同Cr、Ni成分不銹鋼焊層的組織及性能，并掌握其堆焊工藝的關鍵控制要點，可為在核電設備維修中類似組合材料的堆焊工藝應用起到指導及參考作用。

圖1　典型PWR壓力容器管嘴部分示意

1　試驗材料和試驗方法

堆焊母材為復合鋼板（基體508-Ⅲ/覆層ER347），堆焊焊材選用三種不同化學成分的不銹鋼焊絲（主要是Cr、Ni含量不同），焊絲成分如表1所示。

表1　堆焊層用不銹鋼焊絲化學成分％

采用手工氬弧焊，在復合鋼板坡口上依次進行三種不銹鋼焊層的堆焊，堆焊參數見表2，堆焊層設計結構如圖2所示。堆焊完工后進行高溫回火處理。采用光學顯微鏡對各堆焊層進行宏微觀金相檢驗，采用鐵素體測試儀及顯微硬度計分別對各堆焊層進行鐵素體檢測和硬度測試；并對必要的堆焊層進行掃描電鏡（SEM）檢查。對比分析和討論獲得的各項結果，并總結出堆焊工藝的關鍵控制要點。

表2　堆焊層堆焊工藝參數

圖2　堆焊層結構示意

2　試驗結果和分析

2.1堆焊層宏觀形貌

通過目視觀察切取的橫截面金相試樣（涵蓋所有焊層）進行，發(fā)現各堆焊層與母材之間以及焊層與焊道之間均結合良好，未發(fā)現有未結合和未熔合。如圖3所示，第一堆焊層處于復合鋼基體508-Ⅲ、覆層ER347以及第二、第三堆焊層的交界匯聚中心，此堆焊區(qū)域要承受多次的反復受熱冷卻過程，通常認為是最容易出現缺陷的集中區(qū)域，屬于薄弱地帶；第二堆焊層處于母材508-Ⅲ鋼與第三堆焊層（奧氏體不銹鋼）之間，該層采用高鎳含量（24.8％～ 27.0％）的焊材直接堆焊在基體508-Ⅲ上，其作用是在低合金鋼與奧氏體不銹鋼之間的化學成分過渡；第三堆焊層是采用奧氏體不銹鋼焊材堆焊在第二堆焊層上，通常經過加工坡口后，用于與另一端的不銹鋼接頭進行對接焊。

2.2熔合區(qū)組織

第一層堆焊層的熔合區(qū)呈平面晶與枝晶的混合組織，是典型鑄態(tài)組織（見圖4a），沿白色奧氏體柱狀晶晶界上看似分布著黑色的高溫鐵素體，但該層的鐵素體含量僅為1.72％～2.48％，硬度值177.3～ 202.1 HV，推斷金相組織黑度稍偏大是含有碳化物所致。該層不與其他介質發(fā)生接觸，碳化物的產生對其危害并不大。在該層的部分區(qū)域還可見均勻的奧氏體等軸晶粒，說明在后續(xù)層的堆焊熱過程對該層起到了一定的“正火”作用，使得部分柱狀晶發(fā)生了重結晶。

圖3　金相試樣

第二層堆焊層的熔合區(qū)基體為奧氏體，沿白色的奧氏體柱狀晶晶界上分布著黑色的高溫鐵素體（見圖4b），該層的鐵素體含量為6.8％～9.2％，部分區(qū)域的奧氏體柱狀晶內有黑色片狀組織，其形貌與板條馬氏體相似，硬度310～341 HV，較奧氏體或鐵素體的硬度偏高，由此推斷該層熔合區(qū)應包含有部分馬氏體或一定量的碳化物。

第三層堆焊層的熔合區(qū)組織為典型鑄態(tài)組織，沿原白色奧氏體柱狀晶晶界上分布著黑色高溫鐵素體，未見其他異常組織及缺陷，而且部分區(qū)域可見均勻的奧氏體等軸晶粒（見圖4c）；該層的顯微硬度值約為250HV，屬正常；鐵素體含量6.6％～8.2％。

圖4　堆焊層熔合區(qū)形貌

此外，在第二堆焊層熔區(qū)還發(fā)現了一個尺寸為0.7 mm×0.1 mm的黑色條形裂隙，如圖5所示。經觀察，裂隙兩對側組織基本可拼合，裂隙尖端開口位置位于第二堆焊層與第三堆焊層的交界處，且沿焊縫熔合線“凸出”區(qū)段生長，符合再熱裂紋發(fā)生的特征。其發(fā)生原因為該層熔敷金屬在后續(xù)層的堆焊熱過程作用下，因熱膨脹及收縮的熱應力作用導致的開裂。

2.3熔合線及熱影響區(qū)組織

第一堆焊層與第二/第三堆焊層的交界清晰，結合良好（見圖6a）；與508-Ⅲ鋼母材的交界區(qū)域斷續(xù)出現了針片狀的黑色條帶，但顯現的區(qū)域窄小、針片細小（見圖6b），經硬度測試硬度值為236～ 310.6 HV。據文獻可知，硬度值超過325 HV時，裂紋的敏感性才會大大增加，由此，認為該黑色條帶組織帶來的危害程度不大。該層與復合鋼覆層的交界清晰，結合良好（見圖6c），且覆層的柱狀晶粒形態(tài)還得到一定程度的糾正，使大部分晶粒變得細小、均勻，說明該層的堆焊熱過程對復合鋼覆層起到了正火作用，使其組織得到改善。

圖5　堆焊層缺陷形貌

圖6　熔合線及熱影響區(qū)金相照片

第二堆焊層與508-Ⅲ交界從左至右分區(qū)清晰（見圖6d），熔合線的不銹鋼側斷續(xù)出現碳化物（黑色條帶）；熱影響區(qū)由508-Ⅲ脫碳層（發(fā)亮白色條帶）、細晶帶、混晶帶、回火帶組成。熱影響區(qū)的細晶帶是完全退火組織；混晶帶是由于焊接溫度上升到不完全退火區(qū)，部分鐵素體組織轉化為奧氏體，發(fā)生了重結晶，而未相變的鐵素體保持了原晶粒大小；脫碳層和碳化物的形成推斷是由于508-Ⅲ中的碳在焊接熱過程中發(fā)生了向熔區(qū)的遷移，并與不銹鋼焊材中的Ni、Cr化合形成了碳化物，聚集于熔合線附近，在快速冷卻中形成了碳化物。經測試，熔合線上碳化物的硬度為417～456 HV；脫碳層的硬度為123～131 HV，與鐵素體的硬度相符。通常，碳化物和脫碳層是對焊縫性能有不利影響的因素：脫碳層（鐵素體層）硬度低、碳化物增碳層硬，軟硬層交界處在高溫下長期服役會出現蠕變孔洞，影響熔合區(qū)的沖擊韌性。同時，以針片狀為特征的組織形成，針片較大時會直接影響接頭的塑韌性。而對于本研究而言，觀察到的黑色條帶碳化物較細小，僅斷續(xù)出現于熔合線界面上，最寬處約十幾微米，預期對焊縫性能的影響有限。

為進一步證實發(fā)生碳遷移的發(fā)生，在掃描電鏡下，采用能譜分析對熔合線區(qū)域的C、Ni、Cr成分變化進行測試，結果如圖7所示。較熔合區(qū)基體，近熔合線的熔區(qū)側碳含量明顯增高；較508-Ⅲ母材，近熔合線的母材側碳含量明顯降低；在熔合線的熔區(qū)側，Cr和Ni含量顯著降低。由此證明，碳從母材側向熔區(qū)遷移并與焊材中的Cr和Ni元素發(fā)生了化合。在離熔合線稍遠的熔合區(qū)觀察到的硬度偏高組織推測與C的深度遷移有關。所以通過SEM檢測，進一步驗證了碳遷移的推斷。

2.4工藝控制要點

通過各堆焊層在微觀組織、硬度、鐵素體含量的檢測數據結果可知，在低合金鋼上直接堆焊高Ni不銹鋼焊材時，所需的堆焊工藝應更為嚴苛。而對于堆焊層中出現的不理想組織和再熱裂紋缺陷，可總結出堆焊工藝的關鍵控制要點如下：盡量多層多道焊，以減少熱源在焊縫邊緣的停留時間，減少C的遷移和減小母材金屬在焊縫金屬中的稀釋率（即熔合比小于0.3），希望成分、組織、性能逐漸過渡，以提高接頭的耐熱性。同時在較厚母材基體上進行堆焊時需要阻止C的擴散，而Ni元素是抑制C擴散的最好手段，所以建議在堆焊時需注意控制焊接熱輸入、層道間溫度（100℃以下為宜）以及冷卻速度（自然冷卻為宜），以控制Ni的燒損和C的擴散。研究表明，提高加熱速度也有利于防止再熱裂紋的產生。

圖7　過渡堆焊層掃描電鏡結果

3　結論

（1）堆焊的第一層和第三層奧氏體不銹鋼焊層未出現焊接缺陷和不理想的組織形貌，并且熔區(qū)、HAZ、熔合線上的硬度值和鐵素體含量也在正常范圍，說明采用的堆焊工藝適合且焊接過程正常。

（2）采用高Ni不銹鋼焊材在低合金鋼上直接堆焊的第二層焊層，其組織形貌、顯微硬度結果及SEM結果均支持熔合區(qū)存在部分馬氏體或一定量的碳化物，同時因熱膨脹和收縮熱應力作用還導致出現了再熱裂紋缺陷，說明該層所需的堆焊工藝應更為嚴苛，應注意控制焊接熱輸入、熱源在焊縫邊緣的停留時間、層道間溫度以及冷卻速度，以控制Ni的燒損和C的擴散。。

（3）后續(xù)堆焊層的焊接熱過程對前面堆焊層會起到部分正火作用，改善其組織。

（4）對核電設備維修中類似組合材料的堆焊工藝應用具有指導作用和參考意義。

Microstructure analysis of stainless steel welding overlay based on A508/ER347 steel

SONG Yiyang，WANG Li，LU Lili，PAN Xiaodong，YE Yihai，WANG Jian
（Nuclear Power Institute of China fourth Institute，Chengdu 610041，China）

In this paper，experiments were performed on the A508/ER347 Steel using manual argon arc overlay welding method with three different stainless steel welding material.Optical Microscope（OM），Ferrite testing instrument and microhardness Tester were utilized to investigate the microstructure，ferrite amount and the micro-hardness of the overlay welding layer(OWL).The testing results of OWL that considered to be the defects concentration area are showed normal;Martensite transformation or carbide precipitation and the reheat cracks were occurred between the welding layers when using the high nickel stainless steel welding material;the macrostructure ferrite content and the micro-hardness are normal with the austenitic stainless steel welding material.This paper summarizes the key points of overlaying welding procedure.And the experimental research has an important directing significance and a certain reference value for the similar welding repair of nuclear power equipment.

low alloy steel；stainless steel；overlay welding；martensite；carbide

TG406

A

1001－2303（2016）04－0022-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.04.05

2015-10-23

宋怡漾（1979—），女，安徽人，副研究員，學士，主要從事焊接及熱加工方面的研究工作。