接管內(nèi)壁堆焊界面剝離問題研究

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(上海電氣核電設(shè)備有限公司，上海 201306)

0 引言

接管安全端是反應(yīng)堆壓力容器接管與一回路主管道連接的過渡部件，其中接管由18MND5低合金鋼鍛造而成。為提高與接管及主管道的可焊性，通常在內(nèi)壁堆焊一定厚度的309L/308L不銹鋼[1]，這其中涉及低合金鋼與不銹鋼的異種合金焊接。關(guān)于異種合金焊接,國內(nèi)外已開展大量研究[2]，但大多數(shù)聚焦于熔合線附近的組織[3]、腐蝕性能[4]、應(yīng)力模擬[5]等，對于實(shí)際產(chǎn)品焊接過程中所遇到的界面剝離問題報道較少。在實(shí)際生產(chǎn)中，18MND5接管內(nèi)壁堆焊309L/308L時的界面剝離問題始終是核電設(shè)備制造的難點(diǎn)之一。

本文以18MND5接管內(nèi)壁309L/308L不銹鋼堆焊為研究對象，通過分析界面剝離試樣以及工藝試驗(yàn)，從結(jié)構(gòu)應(yīng)力、組織應(yīng)力角度研究界面剝離的機(jī)理,并結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，從擋渣環(huán)設(shè)計、焊道排布以及焊接線能量控制的角度提出改進(jìn)措施。

1 試驗(yàn)研究

1.1 材料及工藝

在核電設(shè)備制造過程中，帶極埋弧自動焊工藝常應(yīng)用于低合金鋼表面不銹鋼耐蝕層堆焊，這主要是由于埋弧焊接具有較高的效率以及焊接過程中熔渣起到有效保護(hù)熔池和電弧區(qū)、提高焊縫質(zhì)量的作用。不銹鋼與低合金鋼焊接時，母材會發(fā)生局部熔合，不銹鋼的合金元素被稀釋。相對于308L，309L的合金元素含量較高，其濃度降低后形成的焊縫金屬組織為奧氏體+鐵素體，是較為理想的過渡層焊接材料。因此，在實(shí)際的堆焊過程中，首先采用帶極埋弧焊在18MND5低合金鋼表面進(jìn)行309L過渡層堆焊，然后堆焊若干層308L不銹鋼(見圖1)，圖2示出實(shí)際的施焊過程。本文研究所用18MND5低合金鋼、309L及308L不銹鋼的合金成分如表1所示，焊接工藝參數(shù)如表2所示，預(yù)熱后熱及熱處理工藝參數(shù)如表3所示。

圖1 堆焊示意

圖2 帶極埋弧堆焊實(shí)物圖

表2 EQ309L+EQ308L焊接工藝參數(shù)

表3 預(yù)熱后熱及熱處理工藝參數(shù)

1.2 試樣分析

為清晰表征堆焊后焊縫金屬及熱影響區(qū)的組織形貌，首先使用15%鉻酸水溶液對309L進(jìn)行電化學(xué)腐蝕，腐蝕電壓、電流分別為1.5 V，22 mA/cm2。利用4%硝酸酒精對低合金鋼的組織進(jìn)行刻蝕。利用Axiovert 40MAT光學(xué)顯微鏡(OM)及VEGA3XMU掃描電鏡(SEM)表征焊縫金屬及熱影響區(qū)的顯微形貌。利用Tukon2100B型顯微硬度計、選用50 g載荷對熔合線附近組織的微硬度予以表征，為反映熱影響區(qū)不同組織的顯微硬度的變化趨勢，測量時相鄰測量點(diǎn)的間距為100 μm。

2 結(jié)果及討論

2.1 缺陷分析

對接管內(nèi)壁進(jìn)行單層309L及多層308L不銹鋼堆焊后，在18MND5與309L界面處發(fā)生剝離破壞。界面剝離試樣的縱截面及表面形貌如圖3所示。由圖3(a)縱截面形貌可知，界面剝離發(fā)生于熔合線位置，一側(cè)為18MND5低合金鋼，另一側(cè)為309L不銹鋼。由圖3(b)，(c)剝離試樣的表面形貌可知，剝離界面已發(fā)生氧化，說明其界面剝離發(fā)生于高溫階段。

圖3 界面剝離處縱截面及表面形貌

2.2 工藝試驗(yàn)

為進(jìn)一步分析界面剝離發(fā)生的機(jī)理，采用與產(chǎn)品相同的母材、焊材、焊接工藝及熱處理參數(shù)，在18MND5試板上進(jìn)行309L/308L多層埋弧堆焊，焊后試板截面宏觀形貌如圖4所示。當(dāng)堆焊至第6層時，在局部堆高的位置發(fā)生界面剝離。根據(jù)圖5(a)剝離位置的微觀形貌可知，裂紋形成于18MND5/309L的熔合線位置，這與實(shí)際產(chǎn)品發(fā)生剝離的情況相同。對未發(fā)生剝離試樣的縱截面，選用50 g載荷對其硬度分布予以表征，結(jié)果如圖5(b)所示。根據(jù)壓痕尺寸可知，圖5(b)橢圓區(qū)域中的壓痕尺寸最小，即其硬度值最大，并且該區(qū)域位于18MND5與309L界面附近。為進(jìn)一步研究該區(qū)域顯微特征，采用SEM予以表征，結(jié)果如圖6所示。在緊鄰熔合線靠近309L側(cè)存在厚約30 μm的馬氏體層[6]。

圖4 試板堆焊后截面宏觀形貌

(a)剝離位置

(b)未剝離位置

圖6 18MND5/309L熔合線附近SEM形貌

2.3 討論

2.3.1 焊道排布對殘余應(yīng)力的影響

在工藝試驗(yàn)或者產(chǎn)品堆焊時，由于對焊道排布沒有明確的規(guī)定，通常會采用如圖7(a)所示排布，即堆焊后4個端面幾乎處于同一垂直平面上。18MND5低合金鋼、309L不銹鋼的熱膨脹系數(shù)分別為11.5×10-6/K，14.4×10-6/K。堆焊過程中，不銹鋼的熱膨脹系數(shù)相對低合金鋼較大，因此在堆焊層中將產(chǎn)生拉應(yīng)力，而低合金鋼側(cè)產(chǎn)生壓應(yīng)力，導(dǎo)致18MND5/309L界面處產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力。堆焊層的端面處拘束度較小以及界面處較大的殘余應(yīng)力，導(dǎo)致端面處容易發(fā)生界面剝離，即在第1層的第1道或最后一道位置。根據(jù)以上分析可知，為防止界面剝離，須降低第1堆焊層起始及最終焊道的應(yīng)力集中，故采用圖7(b)所示具有梯度過渡性質(zhì)的焊道排布。

(a) (b)

圖7 焊道排布示意

2.3.2 組織應(yīng)力對應(yīng)力集中的影響

由圖5，6分析可知，異種合金焊接過程中，界面附近形成相對于不銹鋼及低合金鋼強(qiáng)度較高、塑性差的馬氏體組織[7]。在焊接殘余應(yīng)力的作用下較易在界面附近形成應(yīng)力集中，誘發(fā)裂紋萌生及擴(kuò)展，因此，熔合線附近組織應(yīng)力與馬氏體層厚度相關(guān)。馬氏體層的形成是由于堆焊過程中重熔的母材組織與焊縫金屬熔合所形成，如圖8所示。熔合線附近的組織由母材稀釋率決定，如表4所示。隨著稀釋率增大，熔合線附近靠近309L側(cè)的組織逐漸由奧氏體+鐵素體向奧氏體+馬氏體轉(zhuǎn)變。由圖6中的組織分析可知，在熔合線附近309L側(cè)存在厚約30 μm的馬氏體層，即母材的稀釋率高于40%。因此，降低309L堆焊層線能量可實(shí)現(xiàn)降低母材稀釋率、減小馬氏體層厚度，進(jìn)而降低熔合線附近組織應(yīng)力的作用。

圖8 舍夫勒相圖

稀釋率20%24%30%35%40%組織奧氏體+鐵素體(5%～6%)奧氏體+鐵素體(3%)純奧氏體奧氏體+少量馬氏體奧氏體+馬氏體

2.4 產(chǎn)品應(yīng)用

2.4.1 接管內(nèi)壁堆焊工藝改進(jìn)

對接管內(nèi)壁進(jìn)行不銹鋼堆焊，其中堆焊層厚度最厚處約30 mm。實(shí)際堆焊接管內(nèi)壁時，通常會在接管端部焊接擋渣環(huán)(如圖9(a)所示)，擋渣環(huán)由薄壁板制成，寬厚比>5。堆焊時，焊道起始于擋渣環(huán)位置，并且每層焊道的錯邊量較小。由于擋渣環(huán)寬厚比較大、剛度較小，在堆焊時，因焊接熱應(yīng)力作用使得擋渣環(huán)上翹，導(dǎo)致?lián)踉h(huán)與接管交界的焊道產(chǎn)生應(yīng)力集中，進(jìn)而萌生裂紋。為避免端面處堆焊層界面的應(yīng)力集中，應(yīng)提高擋渣環(huán)的剛度、降低其焊接變形，即采用寬厚比較小的擋渣環(huán)替代傳統(tǒng)的擋渣環(huán)，并且每一層焊道應(yīng)保證一定的錯邊量。

(a) (b)

圖9 接管內(nèi)壁堆焊擋渣環(huán)焊接示意

根據(jù)上文分析，改用寬厚比為1的擋渣環(huán)，如圖9(b)所示。此外，保證每一層焊道的錯邊量為5 mm。采用表2，3中參數(shù)對接管內(nèi)壁進(jìn)行堆焊，結(jié)果表明，通過調(diào)整擋渣環(huán)結(jié)構(gòu)以及焊道間錯邊量，有效地避免了界面剝離的發(fā)生。

2.4.2 焊接線能量控制

為降低母材稀釋率，對第1層309L不銹鋼堆焊采用鎢極氬弧焊(TIG)工藝，焊接過程中采用小的焊接速度，并增加焊絲送絲量。其余308L層仍采用埋弧焊，相應(yīng)焊接參數(shù)如表5所示。堆焊后試樣的截面形貌如圖10所示，可以看出，熔合線靠近309L側(cè)的馬氏體層厚度約為5 μm，其馬氏體層寬度顯著降低，從而實(shí)現(xiàn)了降低熔合線附近組織應(yīng)力的作用。

表5 ER309L+EQ308L焊接工藝參數(shù)

圖10 TIG焊后，18MND5/309L熔合線附近SEM形貌

3 結(jié)論

針對接管內(nèi)壁堆焊時遇到的界面剝離問題，通過分析剝離試樣以及工藝試驗(yàn)，從結(jié)構(gòu)應(yīng)力和組織應(yīng)力的角度展開分析，闡明了18MND5/309L異種合金界面剝離的機(jī)理，并提出了實(shí)際可行的改進(jìn)措施，結(jié)論如下。

(1)焊道排布影響著309L堆焊層的應(yīng)力分布，采用梯度過渡的焊道排布可有效降低界面處的應(yīng)力集中；

(2)熔合線附近309L側(cè)的馬氏體組織寬度影響著界面處的組織應(yīng)力，通過降低第1層309L不銹鋼的線能量可有效降低馬氏體組織含量，進(jìn)而起到削弱組織應(yīng)力的作用；

(3)在實(shí)際堆焊過程中，降低擋渣環(huán)的寬厚比，起到降低端面處309L焊道界面應(yīng)力集中的作用。