反應(yīng)堆壓力容器用低合金鋼回火焊道工藝試驗(yàn)研究

金亮 匡艷軍 黃騰飛 孫廣 邱振生

摘要：為解決核電廠關(guān)鍵設(shè)備在役期間焊接返修后無(wú)法實(shí)施傳統(tǒng)焊后熱處理的難題，采用機(jī)械-鎢極惰性氣體保護(hù)焊分別在室溫和150 ℃預(yù)熱條件下對(duì)反應(yīng)堆壓力容器用低合金鋼進(jìn)行回火焊道焊接工藝試驗(yàn)，然后測(cè)試焊接熱影響區(qū)的顯微硬度、顯微組織及沖擊韌性。試驗(yàn)結(jié)果表明：通過(guò)合理控制前三層的焊接熱輸入，可有效降低焊接熱影響區(qū)的硬度，并獲得綜合性能較好的回火索氏體組織，室溫條件下的回火焊道焊接熱影響區(qū)在0 ℃和-20 ℃的沖擊吸收能量均高于設(shè)計(jì)要求值。

關(guān)鍵詞：反應(yīng)堆壓力容器;回火焊道;熱影響區(qū);微觀組織

0 前言

核電站反應(yīng)堆壓力容器用低合金鋼在焊接熱循環(huán)作用下，其焊接熱影響區(qū)的組織和性能會(huì)出現(xiàn)劣化現(xiàn)象，例如硬度增加、韌性下降等。通常設(shè)計(jì)規(guī)范要求對(duì)該類具有淬硬傾向的低合金鋼應(yīng)進(jìn)行焊后熱處理來(lái)消除上述現(xiàn)象。

核電站設(shè)備在服役期間，隨著時(shí)間的增加會(huì)出現(xiàn)需要焊接返修的缺陷。然而，一些客觀條件限制了焊后熱處理的應(yīng)用[1-2]：（1）由于設(shè)備尺寸和結(jié)構(gòu)復(fù)雜性或機(jī)械載荷作用，焊后熱處理會(huì)帶來(lái)不可預(yù)知的變形風(fēng)險(xiǎn);（2）焊后熱處理會(huì)導(dǎo)致材料性能的劣化，如低合金鋼-不銹鋼異種金屬焊接接頭，由于焊后熱處理的作用，在低合金鋼側(cè)會(huì)形成貧碳層，在不銹鋼側(cè)會(huì)析出碳化物，造成焊接接頭性能脆化[3-6];（3）現(xiàn)場(chǎng)熱處理?xiàng)l件的限制及時(shí)間和成本等原因。因此，為了保證焊接修復(fù)區(qū)域獲得滿足設(shè)計(jì)要求的組織和性能，許多人通過(guò)研究無(wú)需焊后熱處理的回火焊道技術(shù)來(lái)獲得滿足設(shè)計(jì)要求的焊接接頭[7-9]。回火焊道技術(shù)[10]是一種通過(guò)控制焊接熱輸入及焊道尺寸等關(guān)鍵因素，在焊道表面指定位置熔敷焊道，借助后一焊道/層的焊接熱對(duì)前一焊道/層產(chǎn)生的粗晶區(qū)進(jìn)行回火來(lái)改善焊縫及熱影響區(qū)組織和性能，使得焊接接頭的修復(fù)質(zhì)量滿足設(shè)計(jì)要求，從而達(dá)到替代焊后熱處理的目的。這些研究主要是基于預(yù)熱和后熱處理（焊后消氫）條件下進(jìn)行的回火焊道工藝研究。然而，有時(shí)返修現(xiàn)場(chǎng)并不具備焊前預(yù)熱和后熱處理的條件。

采用一種自主研制的新型低合金鋼焊絲開(kāi)展了不同熱輸入條件下的回火焊道工藝試驗(yàn)研究，即通過(guò)設(shè)計(jì)不同層之間的焊接熱輸入，使得第二、三層焊道對(duì)首層焊道及焊接熱影響區(qū)起到“回火”效應(yīng)。通過(guò)研究對(duì)比室溫及150 ℃預(yù)熱下回火焊道工藝所獲得的焊接接頭組織和性能，論證室溫預(yù)熱下回火焊道修復(fù)技術(shù)的可行性，為反應(yīng)堆壓力容器免熱處理的焊接修復(fù)提供數(shù)據(jù)支撐。

1 試驗(yàn)材料和方法

試驗(yàn)用母材為反應(yīng)堆壓力容器用SA508-Gr.3Cl.1鋼（調(diào)質(zhì)態(tài)鍛件），焊絲是一種自主研制的新型低合金焊絲，規(guī)格為φ1.0 mm。試驗(yàn)用母材和焊絲化學(xué)成分如表1所示。

焊接方法為機(jī)械-鎢極惰性氣體保護(hù)焊，試驗(yàn)采用不同的焊接工藝參數(shù)分別在3塊試板（400 mm×200 mm×40 mm）上進(jìn)行焊接試驗(yàn)，焊接形式如圖1所示，焊接參數(shù)如表2所示。每塊試板上每層焊接熱輸入的設(shè)置、焊前預(yù)熱、道間溫度及后熱處理要求如表3所示。

在TC1和TC2試板上，第一層焊接15道，第二層焊接13道，第三層焊接12道。焊接完成后，采用顯微硬度計(jì)測(cè)試焊接接頭硬度，觀察顯微組織。在TC3試板上，前三層焊道排布與TC1和TC2相同，第四層焊接10道，焊接完成后，分別在0 ℃、-20 ℃下進(jìn)行沖擊韌性試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 顯微硬度

在焊接熱影響區(qū)上（測(cè)試位置見(jiàn)圖2），采用維氏硬度計(jì)（HV0.1）沿線1方向每間隔0.5 mm測(cè)試一個(gè)硬度值，共測(cè)試5個(gè)硬度值，取其平均值作為圖3、圖4中的有效數(shù)據(jù)點(diǎn)。然后，從線1向熱影響區(qū)方向下移0.25 mm開(kāi)始進(jìn)行第二個(gè)有效數(shù)據(jù)點(diǎn)的測(cè)試（即在圖2中沿線2方向每間隔0.5 mm測(cè)試一個(gè)硬度值，共測(cè)試5個(gè)硬度值并取平均值），依次類推，共得到10個(gè)有效數(shù)據(jù)點(diǎn)。

TC1在室溫預(yù)熱下熱影響區(qū)硬度分布曲線如圖3所示，第一層焊接后由于焊接熱的作用在熱影響區(qū)形成硬度較高的粗晶組織，最大約為330 HV。在焊接第二層后，熱影響區(qū)的硬度有下降趨勢(shì)，但不明顯，這是由于第一層焊接熱輸入率較小，形成的熱影響區(qū)尺寸較小，在第二層較大的焊接熱輸入率作用下，第二層細(xì)晶區(qū)對(duì)熱影響區(qū)粗晶區(qū)覆蓋后的回火作用，同時(shí)第二層也帶來(lái)了部分粗晶區(qū)，因此熱影響區(qū)中仍有部分硬度較高。在第三層焊接后，熱影響區(qū)的硬度下降趨勢(shì)非常明顯，整體硬度值低于240 HV，這是由于第三層的焊接熱輸入率更大，第三層焊道對(duì)首層和第二層焊道產(chǎn)生的粗晶區(qū)起到很好的回火作用。

TC2在150 ℃預(yù)熱下熱影響區(qū)硬度分布曲線如圖4所示。由圖4可知，第一層焊接后的熱影響區(qū)最大硬度值低于室溫預(yù)熱條件下的熱影響區(qū)最大硬度，這是由于通過(guò)焊前預(yù)熱降低了熱影響區(qū)的冷卻速率，從而減少了熱影響區(qū)淬硬組織的形成。雖然圖3、圖4采用相同的焊接熱輸入率，但由于圖4中焊接前進(jìn)行150 ℃預(yù)熱，使得其在第一層焊接后形成的熱影響區(qū)尺寸相比圖3更大，隨后在第二層焊接熱循環(huán)的作用下，第二層細(xì)晶區(qū)可以很好地實(shí)現(xiàn)對(duì)熱影響區(qū)粗晶區(qū)完全覆蓋，使得熱影響區(qū)硬度下降明顯。但在第三層焊接后，由于其熱影響區(qū)尺寸較大，第三層焊接熱循環(huán)對(duì)熱影響區(qū)的回火效果不明顯，由圖4的硬度分布結(jié)果可以看出，第三層焊接后熱影響區(qū)的硬度相對(duì)比第二層焊接后，幾乎沒(méi)有變化。圖3、圖4的熱影響區(qū)顯微硬度測(cè)試結(jié)果表明：在相同的回火焊道工藝參數(shù)下，無(wú)論焊前是否實(shí)施預(yù)熱，焊接接頭均可以達(dá)到回火效果，降低熱影響區(qū)的硬度。

2.2 顯微組織

不同預(yù)熱條件下回火焊道接頭在不同層焊接后的熱影響區(qū)顯微金相組織如圖5～圖7所示。圖5為第一層焊接后熱影響區(qū)顯微組織，主要為板條狀馬氏體組織。由圖5a可知，因焊前不預(yù)熱，其焊接熱影響區(qū)冷卻速率大，形成了較多的馬氏體組織。焊接前進(jìn)行了150 ℃的預(yù)熱（見(jiàn)圖5b），其熱影響區(qū)在高溫區(qū)停留時(shí)間較長(zhǎng)，冷卻速率較小，形成較少馬氏體組織。第二層焊接后熱影響區(qū)的顯微組織如圖6所示，部分晶粒被第二層焊接熱回火（見(jiàn)圖6a），晶粒之間具有明顯的晶界，微觀組織被細(xì)化，但仍具有馬氏體組織特征;焊前進(jìn)行了150 ℃的預(yù)熱（見(jiàn)圖6b），其熱影響區(qū)在第二層焊接熱作用下能夠很好地被回火，形成回火索氏體組織。

在第三層焊接完成后形成的熱影響區(qū)組織如圖7所示，在第三層焊接熱的回火作用下，原馬氏體均被分解形成回火索氏體組織。在第三層回火作用下熱影響區(qū)組織變化不明顯，可能原因是其在150 ℃預(yù)熱下形成的熱影響區(qū)尺寸較大，第三層焊接熱循環(huán)難以對(duì)其焊接熱影響區(qū)起回火作用。對(duì)比圖7a、圖7b可知：在相同的回火焊道工藝參數(shù)下，無(wú)論焊前是否實(shí)施預(yù)熱，在回火焊道焊接第三層后，熱影響區(qū)組織均可以轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗鹚魇象w組織。兩種回火焊道工藝得到的熱影響區(qū)組織區(qū)別不明顯。150 ℃預(yù)熱下的回火焊道工藝，其焊接熱影響區(qū)的回火組織更加均勻。因此，文中對(duì)室溫預(yù)熱下的回火焊道工藝的焊接熱影響區(qū)進(jìn)行沖擊韌性試驗(yàn)，確認(rèn)其熱影響區(qū)的沖擊韌性能否滿足設(shè)計(jì)要求。

2.3 沖擊韌性

為進(jìn)一步驗(yàn)證在室溫預(yù)熱條件下回火焊道焊接熱影響區(qū)的韌性，選擇在TC3試板上截取沖擊試樣進(jìn)行熱影響區(qū)沖擊試驗(yàn)。沖擊試樣每3個(gè)一組，每組沖擊試樣的缺口軸線距離名義熔合線分別為1 mm和4 mm。0 ℃和-20 ℃下的熱影響區(qū)不同區(qū)域沖擊吸收能量的柱狀圖如圖8、圖9所示，可以看出：室溫條件下的回火焊道工藝可以獲得沖擊韌性良好的焊接接頭，焊接熱影響區(qū)沖擊吸收能量均高于設(shè)計(jì)要求值。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)反應(yīng)堆壓力容器用低合金鋼進(jìn)行免焊后熱處理的回火焊道工藝試驗(yàn)研究，得到如下結(jié)論：

（1）采用機(jī)械-鎢極惰性氣體保護(hù)焊方法，通過(guò)合理控制前三層焊接熱輸入，將形成回火焊道效應(yīng)，可有效降低焊接熱影響區(qū)的硬度，獲得綜合性能較好的回火索氏體組織，達(dá)到免除焊后熱處理的目的。

（2）與150 ℃預(yù)熱下的同參數(shù)回火焊道工藝相比，在室溫下的回火焊道工藝同樣可獲得組織和性能較好的焊接接頭，且焊接熱影響區(qū)在0 ℃和-20 ℃的沖擊吸收能均高于設(shè)計(jì)要求。

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