核級(jí)低合金鋼手工回火焊接熱影響區(qū)組織性能研究

葉義海，鄭德旭，羅緒珍，王 建，尚 巍，朱其猛，朱勇輝

（1.中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院，四川成都610041；2.福建福清核電有限公司，福建福清350300；3.華龍國(guó)際核電技術(shù)有限公司，北京100037；）

0 前言

核電作為安全、清潔能源之一將是我國(guó)能源發(fā)展的重點(diǎn)。壓力容器、蒸汽發(fā)生器、主泵、穩(wěn)壓器等均為大型承壓設(shè)備，是核反應(yīng)堆的核心，是化學(xué)能轉(zhuǎn)換電能的關(guān)鍵所在，其本體材料一般采用低合金鋼。目前，核電站中廣泛用于承壓設(shè)備的低合金鋼有美國(guó)的 SA508-3、德國(guó)的 20MnMoNi55、法國(guó)的16MnD5、俄羅斯的15Х2НМФАCl.1以及日本的SFVV3等。

大型核級(jí)承壓設(shè)備長(zhǎng)期在高溫、高壓、高輻射環(huán)境下服役，其低合金鋼本體材料及其焊縫可能會(huì)產(chǎn)生超標(biāo)缺陷，或原制造缺陷擴(kuò)展而產(chǎn)生超出標(biāo)準(zhǔn)要求缺陷，嚴(yán)重影響核電站的安全運(yùn)行。為了保證設(shè)備安全可靠和機(jī)組正常運(yùn)行，亟需開(kāi)發(fā)低合金鋼設(shè)備缺陷修復(fù)工藝技術(shù)。手工回火焊接技術(shù)作為一種新型焊接修復(fù)技術(shù)，可以有效達(dá)到焊后熱處理的效果，廣泛應(yīng)用于易淬火鋼的焊接或修復(fù)。

由于低合金鋼屬于易淬火鋼，在焊接過(guò)程中其熱影響區(qū)（HAZ）組織會(huì)產(chǎn)生惡化，影響焊接質(zhì)量，需要進(jìn)行熱處理[1-2]。受空間環(huán)境限制等制約，現(xiàn)場(chǎng)修復(fù)實(shí)施熱處理難度較大。目前國(guó)內(nèi)的焊條電弧焊回火焊接維修技術(shù)研究尚處于起步階段。本研究重點(diǎn)分析核級(jí)低合金鋼手工回火焊接的熱影響區(qū)和熔敷金屬的組織性能，為手工回火焊接技術(shù)在核動(dòng)力裝置低合金鋼設(shè)備焊接維修中的工程應(yīng)用奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用母材為我國(guó)早期自主研發(fā)的核級(jí)低合金鋼，牌號(hào)S271，交貨狀態(tài)為調(diào)質(zhì)態(tài)，組織為粒狀貝氏體，化學(xué)成分見(jiàn)表1。試驗(yàn)件規(guī)格尺寸330mm×300mm×55mm。

試驗(yàn)用焊材為核級(jí)低合金鋼焊條，牌號(hào)E9018G，規(guī)格為φ2.5mm和φ3.2mm，化學(xué)成分見(jiàn)表2。

表1 S271鋼化學(xué)成分 %

表2 E9018G低合金鋼焊條化學(xué)成分%

1.2 試驗(yàn)件制備

根據(jù)核電站低合金鋼設(shè)備的規(guī)格及焊接維修需求，設(shè)計(jì)、加工了如圖1a所示的試驗(yàn)用試件。試件制備采用焊條電弧焊，主要焊接參數(shù)如表3所示。焊前試件進(jìn)行200～235℃預(yù)熱處理。

試驗(yàn)共制備試件5件，分別編號(hào)為SGSY-TGGB-1～SGSY-TGGB-5。所有試驗(yàn)件前2層采用回火焊接參數(shù)，其余層為填充層。其中SGSY-TGGB-2在焊趾位置增加了3道補(bǔ)充回火焊道，SGSY-TGGB-3～SGSY-TGGB-5為每層焊接后分別打磨掉熔敷金屬厚度40%、50%和60%再進(jìn)行焊接的試件，試件如圖1b所示。

圖1 設(shè)計(jì)的試件示意

表3 主要焊接參數(shù)

2 試驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果分析

2.1 局部增加熱循環(huán)對(duì)HAZ組織組織性能的影響

SGSY-TGGB-1和SGSY-TGGB-2金相樣品HAZ微觀組織觀察位置如圖2所示。

SGSY-TGGB-1金相樣品HAZ微觀組織形貌如圖3a、圖3b所示，SGSY-TGGB-2金相樣品HAZ微觀組織形貌如圖3c、圖3d所示。

S271母材、E9018G熔敷金屬、SGSY-TGGB-1和SGSY-TGGB-2樣品HAZ硬度測(cè)量值見(jiàn)表4，兩個(gè)樣品HAZ硬度對(duì)比如圖4所示。

圖2 金相樣品HAZ微觀組織觀察位置

圖3 試驗(yàn)件焊趾位置HAZ組織形貌

S271母材、E9018G熔敷金屬、SGSY-TGGB-1和SGSY-TGGB-2樣品HAZ沖擊功測(cè)量值見(jiàn)表5，兩個(gè)樣品HAZ沖擊功對(duì)比如圖5所示。

表4 S271母材、E9018G熔敷金屬和HAZ硬度實(shí)測(cè)值

圖4 S271母材、E9018G熔敷金屬和HAZ硬度對(duì)比

表5 S271母材、E9018G熔敷金屬和HAZ沖擊功實(shí)測(cè)值

圖5 S271母材、E9018G熔敷金屬和HAZ沖擊功對(duì)比

由圖3a、圖3b可知，未增加補(bǔ)充焊道的試件焊趾位置HAZ回火效果不夠充分，局部組織存在回火馬氏體和殘余奧氏體晶界，嚴(yán)重影響HAZ組織性能。由圖3c、圖3d可知，在焊層的兩側(cè)焊趾位置增加了3道補(bǔ)充焊道后，試驗(yàn)件焊趾位置回火效果良好，其熱影響區(qū)局部的殘余奧氏體分解充分，殘余奧氏體晶界消失，回火馬氏體組織分解轉(zhuǎn)化充分。

由表4可以看出，S271母材硬度分布在190～224HV0.2，E9018G 熔敷金屬硬度為 199～268HV0.2，SGSY-TGGB-1樣品 HAZ硬度為 260～304 HV0.2，SGSY-TGGB-2 樣品 HAZ 硬度為 290～340HV0.2。由圖4可知，增加補(bǔ)充焊道的SGSY-TGGB-2HAZ硬度高于SGSY-TGGB-1的硬度。分析認(rèn)為，雖然SGSYTGGB-1樣品未增加補(bǔ)充焊道，HAZ回火不充分，組織中有回火馬氏體存在[3-4]，但其組織形貌中有原始奧氏體晶界出現(xiàn)，大大降低了HAZ硬度[5-6]。因此，SGSY-TGGB-2樣品HAZ硬度高于SGSY-TGGB-1樣品是可能的。

由表5可知，S271母材沖擊功分布在228～264J，E9018G熔敷金屬的沖擊功為 168～228 J，SGSYTGGB-1 樣品 HAZ 沖擊功為 128～154 J，SGSYTGGB-2樣品HAZ沖擊功為162～224 J。由圖5可知，增加補(bǔ)充焊道的SGSY-TGGB-2 HAZ沖擊功高于SGSY-TGGB-1的沖擊功。分析認(rèn)為，SGSYTGGB-1 HAZ回火不充分，組織中有回火馬氏體和原始奧氏體晶界出現(xiàn)，極大地降低了HAZ沖擊韌性。

由圖3～圖5可知，未增加補(bǔ)充焊道的SGSY-TGGB-1 HAZ組織為回火焊接的過(guò)渡組織，原始奧氏體晶界的出現(xiàn)導(dǎo)致硬度實(shí)測(cè)值相對(duì)較低，但其沖擊韌性遠(yuǎn)低于母材和SGSY-TGGB-2熱影響區(qū)。因此從綜合組織性能方面考慮，低合金鋼手工回火焊接過(guò)程中在焊趾位置增加補(bǔ)充焊道、加強(qiáng)回火效果是非常必要的。

2.2 回火焊層厚度對(duì)HAZ組織性能的影響

SGSY-TGGB-3、SGSY-TGGB-4和SGSY-TGGB-5金相樣品HAZ微觀組織觀察位置如圖6所示。

SGSY-TGGB-3、SGSY-TGGB-4、SGSY-TGGB-5樣品HAZ微觀組織形貌如圖7所示。

SGSY-TGGB-3～SGSY-TGGB-5樣品HAZ硬度測(cè)量值見(jiàn)表6，兩個(gè)樣品HAZ硬度對(duì)比如圖8所示。

SGSY-TGGB-3～SGSY-TGGB-5樣品 HAZ沖擊功測(cè)量值見(jiàn)表7，兩個(gè)樣品HAZ沖擊功對(duì)比如圖9所示。

圖6 SGSY-TGGB-3～SGSY-TGGB-5樣品HAZ微觀組織觀察位置

圖7 SGSY-TGGB-3～SGSY-TGGB-5樣品HAZ微觀組織形貌

表6 SGSY-TGGB-3～SGSY-TGGB-5樣品HAZ硬度測(cè)量值

圖8 SGSY-TGGB-3～SGSY-TGGB-5樣品HAZ硬度對(duì)比

表7 SGSY-TGGB-3～SGSY-TGGB-5樣品HAZ沖擊功測(cè)量值

圖9 SGSY-TGGB-3～SGSY-TGGB-5樣品HAZ沖擊功對(duì)比

由圖7可知，SGSY-TGGB-3樣品HAZ組織回火效果相對(duì)不充分，局部有少量的回火馬氏體存在。SGSY-TGGB-4樣品和SGSY-TGGB-5樣品HAZ組織回火較為充分，未見(jiàn)明顯的回火馬氏體。

由表6可知，SGSY-TGGB-3樣品的硬度為332～384HV0.2，SGSY-TGGB-4 樣品的硬度為 290～337HV0.2，SGSY-TGGB-5 樣品硬度為 266～324HV0.2。由圖8可知，隨著打磨量的增加，對(duì)應(yīng)的樣品HAZ硬度水平呈下降趨勢(shì)。

由表7可知，SGSY-TGGB-3樣品的沖擊功為142～182 J，SGSY-TGGB-4 樣品的沖擊功為 156～186 J，SGSY-TGGB-5 樣品的沖擊功為 190～224 J。由圖9可知，隨著打磨量的增加，對(duì)應(yīng)的樣品HAZ沖擊韌性水平呈明顯上升趨勢(shì)。

由于采用焊條電弧焊方法，每層焊接熔敷金屬厚度相對(duì)較厚，回火焊接時(shí)必須去除部分厚度原焊層才能達(dá)到回火效果。本試驗(yàn)中SGSY-TGGB-3樣品在進(jìn)行第二層回火焊接時(shí)，由于熔池距離HAZ相對(duì)較遠(yuǎn)，有效回火溫度覆蓋不到位，回火不充分，局部有少量的馬氏體組織存在，導(dǎo)致對(duì)應(yīng)的HAZ硬度相對(duì)較高，沖擊韌性相對(duì)偏低。

3 結(jié)論

采用焊條電弧焊回火焊接工藝在核級(jí)低合金鋼S271板開(kāi)槽試驗(yàn)件上填充低合金鋼熔敷金屬制備試件，利用該試件研究了局部增加補(bǔ)充回火焊道和回火焊層厚度對(duì)HAZ組織性能的影響。

（1）核級(jí)低合金鋼手工回火焊接過(guò)程中，在焊趾位置局部增加補(bǔ)充焊道，可有效加強(qiáng)HAZ回火效果，改善組織性能。

（2）手工回火焊接時(shí)，每層焊接熔敷金屬厚度相對(duì)較厚，下一層回火焊接時(shí)熔池距離HAZ相對(duì)較遠(yuǎn)，有效回火溫度覆蓋不到位，HAZ回火不充分。

（3）隨著上一層回火焊層打磨量的增加，對(duì)應(yīng)的樣品HAZ沖擊韌性水平呈明顯上升趨勢(shì)。

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