核級(jí)E309L-16奧氏體不銹鋼焊條的研制

王猛 鄒小平 陳波 陳佩寅 張學(xué)剛

摘要：核島主設(shè)備核心部件使用的E309L-16奧氏體不銹鋼焊條長期依賴進(jìn)口，嚴(yán)重制約中國核電事業(yè)的發(fā)展。研究了焊態(tài)鐵素體含量對(duì)熔敷金屬經(jīng)608 ℃×40 h熱處理后斷后伸長率的影響，對(duì)焊態(tài)鐵素體含量大于12%的熱處理態(tài)熔敷金屬微觀組織進(jìn)行分析，并研究了熱輸入和熱處理保溫時(shí)間對(duì)熔敷金屬拉伸性能的影響，試驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)鐵素體含量大于12%時(shí)，δ-鐵素體分解很不均勻，導(dǎo)致熔敷金屬斷后伸長率波動(dòng)較大，可能會(huì)出現(xiàn)斷后伸長率小于18%;當(dāng)鐵素體含量增大至17.8%時(shí)，δ-鐵素體大部分發(fā)生分解，并有σ相析出，是導(dǎo)致脆斷的原因;熱輸入和熱處理保溫時(shí)間對(duì)熔敷金屬的斷后伸長率影響不大。

關(guān)鍵詞：奧氏體不銹鋼;焊條;熱處理;熔敷金屬拉伸性能;核電

中圖分類號(hào)：TG422.1 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? 文章編號(hào)：1001-2003（2021）06-0087-05

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.06.16

0 ? ?前言

核電是先進(jìn)的清潔能源，是國家能源戰(zhàn)略的重要組成部分，是實(shí)現(xiàn)國家節(jié)能減排目標(biāo)的最重要舉措之一。在核島設(shè)備中許多部組件采用不銹鋼制造，其中反應(yīng)堆穩(wěn)壓器及蒸汽發(fā)生器等反應(yīng)堆主設(shè)備的殼體采用在低合金鋼鍛件上堆焊309L+308L奧氏體不銹鋼耐蝕層的方式制造。E309L焊條主要用于低合金鋼上作為過渡層堆焊使用[1-5]。

如果E309L奧氏體不銹鋼焊條的化學(xué)成分和鐵素體控制不當(dāng)，按照AP1000蒸發(fā)器的技術(shù)規(guī)范要求，經(jīng)過608 ℃×40 h的焊后熱處理后，焊縫金屬會(huì)出現(xiàn)斷后伸長率較低，無法滿足技術(shù)要求的現(xiàn)象[6-7]。為了加快國產(chǎn)焊條在核島主設(shè)備核心部件上的應(yīng)用進(jìn)程，開展了核級(jí)E309L-16奧氏體不銹鋼焊條的研制。

1 試驗(yàn)要求與方法

1.1 試件制備

熔敷金屬力學(xué)性能試板采用Q235鋼板，在坡口堆焊兩層E309L-16過渡層，坡口形式為45°V型對(duì)接，坡口根部間距為12 mm，試板尺寸400 mm×

300 mm×20 mm。進(jìn)行平焊位置焊接，具體焊接工藝參數(shù)見表1。力學(xué)性能試驗(yàn)分別在焊態(tài)和焊后熱處理態(tài)608 ℃×40 h下進(jìn)行。

1.2 化學(xué)成分分析

熔敷金屬化學(xué)成分分析用試件按照ASME SFA-

5.4 《焊條電弧焊用不銹鋼焊條標(biāo)準(zhǔn)》中圖1的要求制備，化學(xué)成分要求見表2。熔敷金屬鐵素體試件的制備按照ASME SFA-5.4 《焊條電弧焊用不銹鋼焊條標(biāo)準(zhǔn)》中圖A2的要求進(jìn)行，按照ASME第Ⅲ卷NB-2433要求使用磁性法測(cè)定焊態(tài)熔敷金屬的δ鐵素體含量，要求范圍為5%～18%。

1.3 拉伸和彎曲試驗(yàn)

室溫熔敷金屬拉伸試驗(yàn)按照AWS B4.0M 《焊接機(jī)械試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)方法》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，試樣直徑φ12.5mm，拉伸試驗(yàn)分別在焊態(tài)和熱處理態(tài)下進(jìn)行，熔敷金屬拉伸性能要求見表3;彎曲試驗(yàn)按照AWS B4.0M《焊接機(jī)械試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)方法》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，試樣尺寸200 mm×20 mm×10 mm。

1.4 金相組織

采用OLYMPUS GX51型光學(xué)顯微鏡觀察熔敷金屬金相組織，利用ZEISS EVO18 型掃描電子顯微鏡進(jìn)一步放大觀察試樣表面微觀組織結(jié)構(gòu)，配合OX-FORD INCA能譜儀進(jìn)行點(diǎn)成分分析，使用透射電鏡進(jìn)行精確分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 熔敷金屬拉伸試驗(yàn)

焊態(tài)鐵素體含量與焊后熱處理態(tài)608 ℃×40 h室溫?cái)嗪笊扉L率的關(guān)系如圖1所示，A1、A2、A3分別為焊態(tài)鐵素體含量相同時(shí)，608 ℃×40 h焊后熱處理態(tài)不同室溫?cái)嗪笊扉L率。大量試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)焊態(tài)鐵素體含量小于12%時(shí)，熱處理態(tài)斷后伸長率≥18%;當(dāng)焊態(tài)鐵素體含量大于12%時(shí)，出現(xiàn)了同種試驗(yàn)狀態(tài)下斷后伸長率波動(dòng)劇烈的現(xiàn)象，A1試樣的斷后伸長率為10%、A2試樣為22%、A3試樣為35%;當(dāng)鐵素體含量為17.8%時(shí)，熱處理態(tài)拉棒發(fā)生脆斷，斷后伸長率幾乎為零。

2.2 熔敷金屬金相試驗(yàn)

A1、A2、A3試樣金相顯微組織如圖2～圖4所示。由圖可知，各試樣顯微組織均為奧氏體+δ-鐵素體，但δ-鐵素體分解程度存在較大區(qū)別。A1試樣δ-鐵素體分解不均勻，部分區(qū)域δ-鐵素體分解徹底，部分區(qū)域可見未明顯分解的δ-鐵素體;A2試樣δ-鐵素體分解程度低于A1試樣，局部可見未明顯分解的δ-鐵素體;A3試樣δ-鐵素體區(qū)域形態(tài)完整，內(nèi)部分解物很少，分解程度最為輕微。A1、A2、A3試樣的δ-鐵素體分解程度和不均勻程度依次降低。試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)焊態(tài)鐵素體含量為12.8%時(shí)，熱處理過程中鐵素體分解過程不均勻，從而導(dǎo)致同種狀態(tài)下斷后伸長率發(fā)生了較大波動(dòng)。因此，焊態(tài)鐵素體含量要控制在12%以下。

當(dāng)焊態(tài)鐵素體含量為17.8%時(shí)，大部分δ-鐵素體發(fā)生了分解。熱處理態(tài)拉棒發(fā)生脆斷，斷后伸長率幾乎為零，斷口形貌為沿柱狀晶脆性斷裂，如圖5所示。對(duì)焊態(tài)鐵素體含量為17.8%的熱處理態(tài)熔敷金屬顯微組織進(jìn)行EDS分析，掃描電鏡圖片如圖6所示，在晶界三角交匯區(qū)可能存在σ相，EDS分析結(jié)果表明此處Cr含量較高，約為32%，具體分析結(jié)果見表4。

進(jìn)一步對(duì)試樣作了透射電鏡分析，如圖7所示，結(jié)果表明，熱處理態(tài)下δ-鐵素體發(fā)生了分解，分解成σ相+二次奧氏體。

2.3 熔敷金屬化學(xué)成分及力學(xué)性能

通過化學(xué)成分優(yōu)化和鐵素體含量控制，將熔敷金屬的化學(xué)成分的鉻鎳當(dāng)量比值調(diào)整至1.63～1.72、鐵素體含量小于12%，研制的E309L-16焊條熔敷金屬的化學(xué)成分滿足表2的要求。采用磁性法測(cè)試鐵素體含量為11.8%，熔敷金屬室溫拉伸性能測(cè)試結(jié)果見表5，三批次數(shù)據(jù)穩(wěn)定，完全符合表3的要求。熔敷金屬彎曲試驗(yàn)結(jié)果見圖8，均未發(fā)生斷裂。新研制的E309L-16焊條熔敷金屬的熱處理態(tài)金相組織見圖9，δ-鐵素體分解均勻，其均勻性明顯優(yōu)于A1和A2試樣，與A3試樣相當(dāng)，而且比較輕微。

3 焊條熔敷金屬拉伸性能研究

3.1 熱輸入對(duì)熔敷金屬斷后伸長率的影響

熱輸入與焊接電流、電壓和焊接速度有關(guān)，不同熱輸入的斷后伸長率結(jié)果如圖10所示。

熱輸入對(duì)E309L-16焊條熔敷金屬抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度的影響都較小，熱輸入從0.69 kJ/mm增加至2.55 kJ/mm時(shí)，斷后伸長率降低至30.5%，滿足技術(shù)要求。綜上所述，熱輸入在0.69～2.55 kJ/mm時(shí)，焊條熔敷金屬斷后伸長率均能滿足技術(shù)條件要求。

3.2 熱處理保溫時(shí)間對(duì)熔敷金屬斷后伸長率的影響

研究熱處理溫度為608 ℃，保溫時(shí)間分別為0 h、16 h、24 h、40 h和48 h的E309L-16焊條熔敷金屬斷后伸長率。不同保溫時(shí)間對(duì)斷后伸長率的影響如圖11所示，結(jié)果表明，熱處理保溫時(shí)間對(duì)研制的E309L-16焊條斷后伸長率影響較小，斷后伸長率均≥18%，滿足技術(shù)要求。

4 結(jié)論

（1）研制的E309L-16焊條具有優(yōu)良的力學(xué)性能，三批次數(shù)據(jù)穩(wěn)定，滿足核電技術(shù)條件要求。

（2）研制的E309L-16焊條適用范圍寬，熱輸入在0.99～2.55 kJ/mm，熔敷金屬斷后伸長率均能滿足技術(shù)條件要求。

（3）研制的E309L-16焊條經(jīng)過608℃×（0～48）h的焊后熱處理，熔敷金屬斷后伸長率均能滿足技術(shù)條件要求。

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