Z6CNDU20-08M循環(huán)泵葉輪鑄造缺陷補(bǔ)焊工藝

王美麗，李元濤

(煙臺(tái)臺(tái)?，斉瑺柡穗娫O(shè)備有限公司，山東 煙臺(tái) 264003)

0 前言

公司承制的用于國(guó)外某核電站機(jī)組的循環(huán)泵葉輪，材質(zhì)為歐標(biāo)牌號(hào)RCC-M M3407 Z6CNDU20-08M，是由21%Cr，8%Ni，2.7%Mo，0.1%N(質(zhì)量分?jǐn)?shù))等合金成分組成的低碳雙相不銹鋼，其為鐵素體(α)-奧氏體(γ)雙相組織，組織中兩相組織約各占一半。其兼有奧氏體不銹鋼的優(yōu)良的韌性和焊接性，及鐵素體不銹鋼的高強(qiáng)度和耐氯化物應(yīng)力腐蝕性能。與奧氏體不銹鋼相比，其耐應(yīng)力腐蝕性提高；與鐵素體不銹鋼相比，其沖擊韌性提高，因此被廣泛用于核電站循環(huán)泵葉輪。

近十幾年，公司承制了國(guó)內(nèi)外30多套核電機(jī)組循環(huán)泵葉輪，葉輪采用靜態(tài)鑄造工藝制造，鑄造后按客戶技術(shù)條件對(duì)葉輪進(jìn)行滲透、射線等無(wú)損檢測(cè)，對(duì)于檢測(cè)出的鑄造超標(biāo)缺陷，將采用焊接補(bǔ)焊的方式進(jìn)行修復(fù)。為了確保焊接修復(fù)部位的強(qiáng)度及耐氯化物腐蝕性能，根據(jù)雙相不銹鋼材料特性，其性能主要取決于焊接接頭的雙相組織。因此在焊接過(guò)程中控制焊接接頭的雙相相比是關(guān)鍵所在。

根據(jù)客戶采購(gòu)技術(shù)規(guī)范要求，葉輪焊接修復(fù)前需按照《壓水堆核島機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)及建造》RCC-M S篇標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范進(jìn)行補(bǔ)焊工藝評(píng)定，以確定葉輪合理的補(bǔ)焊修復(fù)工藝。

1 焊接技術(shù)要求及準(zhǔn)備

所制造的循環(huán)泵葉輪是核電機(jī)組核3級(jí)部件，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。其鑄造缺陷補(bǔ)焊修復(fù)應(yīng)遵循RCC-M M3407 中對(duì)葉輪的補(bǔ)焊要求。

圖1 葉輪結(jié)構(gòu)示意圖

依照RCC-M S焊接篇標(biāo)準(zhǔn)策劃焊接工藝評(píng)定技術(shù)文件，并確定焊評(píng)試件形式及所覆蓋葉輪補(bǔ)焊厚度。

葉輪補(bǔ)焊工藝方案：采用焊條電弧焊，環(huán)境溫度在0 ℃以上時(shí)不需預(yù)熱，焊接時(shí)控制層間道間溫度。

2 焊接工藝評(píng)定方案及無(wú)損檢驗(yàn)

2.1 評(píng)定試板及焊接材料的選擇

評(píng)定所用材料采用與葉輪同材質(zhì)Z6CNDU20-08M的鑄造試板進(jìn)行補(bǔ)焊，母材熱處理狀態(tài)與葉輪產(chǎn)品熱處理狀態(tài)相同，即固溶熱處理+水淬。制備尺寸為1 000 mm×400 mm×100 mm的試板，試板中間加工60 mm深度凹槽，坡口角度30°±5°，凹槽底部寬15 mm，模擬鑄件補(bǔ)焊形式，橫焊位置，焊接接頭形式如圖2所示。

圖2 接頭橫斷面模擬補(bǔ)焊示意圖

對(duì)于雙相不銹鋼的焊接材料通常選用比母材Ni元素含量稍高的合金含量焊材，以保證焊縫金屬有足夠的奧氏體[1]；選用Cr元素含量比母材稍高的合金焊材，以確保焊縫具有優(yōu)良的耐腐蝕性；焊材化學(xué)成分與母材相同，力學(xué)性能與母材相近似，滿足海水循環(huán)泵葉輪使用時(shí)耐腐蝕等性能要求，且宜選擇低氫型焊條，以減少擴(kuò)散氫對(duì)焊接的影響。根據(jù)上述原則，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際對(duì)比分析，選擇SFA-5.4 E2594-16低氫型焊條，施焊前經(jīng)300～350 ℃烘焙1～1.5 h。母材和焊材化學(xué)成分見(jiàn)表1。

表1 母材及焊材的化學(xué)成分 (質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

根據(jù)母材和焊材化學(xué)成分，可先預(yù)測(cè)母材和焊材點(diǎn)蝕當(dāng)量：PRE(N)m=1%Cr+3.3%Mo+16%N=32.01，PRE(N)w=1%Cr+3.3%Mo+16%N=42.12；由此可判定，母材和焊材的點(diǎn)蝕當(dāng)量均可滿足客戶的要求(PRE(N)≥30.85)。

2.2 焊前準(zhǔn)備

組焊前對(duì)評(píng)定試板進(jìn)行滲透檢測(cè)(PT)、射線檢測(cè)(RT)，以確保焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)結(jié)果不受母材試板質(zhì)量的影響,而導(dǎo)致焊評(píng)數(shù)據(jù)分析判定不準(zhǔn)確。

組焊前用丙酮清洗試板坡口及兩側(cè)油污等，當(dāng)環(huán)境溫度在0 ℃以下時(shí)，需對(duì)試件進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱溫度20～60 ℃即可。

2.3 焊接工藝要點(diǎn)

從雙相不銹鋼的焊接性分析可知，要獲得奧氏體組織占優(yōu)勢(shì)的雙相組織(即A-F型)，關(guān)鍵一點(diǎn)是要有適宜的冷卻速度和焊接工藝參數(shù)。控制焊接工藝參數(shù)，焊接熱輸入和層間溫度對(duì)雙相不銹鋼的相平衡起著關(guān)鍵的作用，過(guò)低的焊接熱輸入會(huì)使奧氏體的轉(zhuǎn)變量減少，甚至?xí)种坪负罄鋮s過(guò)程中鐵素體的轉(zhuǎn)變，得到少量的奧氏體；過(guò)高的焊接熱輸入冷卻速度太慢，使焊縫金屬及焊縫熱影響區(qū)的晶粒粗大以及σ等有害相的析出，造成焊接接頭脆化[2]。因此合理的工藝措施是控制焊接熱輸入為0.5～1.5 kJ/mm，厚板熱輸入應(yīng)較大、薄板較小，以達(dá)到奧氏體-鐵素體組織中奧氏體稍占優(yōu)勢(shì)的平衡相，并控制層間溫度不超過(guò)150 ℃，若層間溫度過(guò)高，在敏化溫度區(qū)間停留時(shí)間長(zhǎng)，則可能生成金屬間化合物脆化相，這對(duì)韌性和耐腐蝕性都不利。

焊接時(shí)，采用多層多道焊，低熔合比，后續(xù)焊道對(duì)前層焊道有熱處理作用，前道焊縫中γ組織進(jìn)一步析出占優(yōu)勢(shì)的兩相組織，因此熱影響區(qū)(HAZ)組織的γ相也會(huì)增多，從而使整個(gè)焊接接頭組織性能顯著改善，蓋面層加焊退火焊道，然后打磨去除；避免不加填充金屬的焊接，因?yàn)楹缚p金屬中易產(chǎn)生較高δ鐵素體；避免焊縫金屬擴(kuò)散氫含量過(guò)高，以免誘發(fā)焊接裂紋；因引弧區(qū)冷卻速度較大，易導(dǎo)致引弧區(qū)鐵素體含量過(guò)高，不可在母材或焊縫外引弧。

評(píng)定試件焊接位置為橫焊，焊接時(shí)按照預(yù)焊接工藝規(guī)程p-WPS進(jìn)行焊接，焊接工藝參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 焊接工藝參數(shù)

2.4 焊后消應(yīng)力熱處理

由于雙相不銹鋼對(duì)300～1 000 ℃的溫度很敏感，在300～700 ℃進(jìn)行消應(yīng)力熱處理會(huì)導(dǎo)致σ相析出及產(chǎn)生475 ℃脆化現(xiàn)象，從而引起韌性和耐腐蝕性降低；而在700～1 000 ℃進(jìn)行消應(yīng)力熱處理會(huì)導(dǎo)致金屬間化合物的析出，同樣會(huì)引起韌性和耐腐蝕性的降低[3]。根據(jù)RCC-M M3407標(biāo)準(zhǔn)及客戶采購(gòu)技術(shù)規(guī)范，結(jié)合實(shí)際產(chǎn)品，雙相不銹鋼Z6CNDU20-08M在補(bǔ)焊后不需要進(jìn)行焊后熱處理。

2.5 評(píng)定試件的無(wú)損檢驗(yàn)

評(píng)定試件的無(wú)損檢測(cè)主要是驗(yàn)證補(bǔ)焊后是否產(chǎn)生超標(biāo)的焊接缺陷，對(duì)于無(wú)損檢測(cè)出的焊接缺陷，進(jìn)行原因分析，以避免在葉輪產(chǎn)品補(bǔ)焊時(shí)產(chǎn)生焊接缺陷。

(1)外觀檢驗(yàn)：按照RCC-M MC7000的要求，對(duì)評(píng)定試件焊縫表面進(jìn)行目視檢驗(yàn)和尺寸檢驗(yàn)。未發(fā)現(xiàn)有咬邊、凹坑、表面氣孔、裂紋及焊瘤等缺陷，滿足MC 7000的驗(yàn)收要求。

(2)滲透檢驗(yàn)：按照RCC-M MC4000的規(guī)定對(duì)焊縫進(jìn)行滲透檢驗(yàn)。焊縫表面未見(jiàn)不良缺陷，探傷結(jié)果滿足RCC-M MC4000的驗(yàn)收規(guī)定。

(3)射線檢驗(yàn)：按照RCC-M MC3300的規(guī)定對(duì)焊縫進(jìn)行射線探傷，探傷結(jié)果均為I級(jí)，滿足RCC-M MC3300的驗(yàn)收規(guī)定。

通過(guò)對(duì)焊接評(píng)定試件的無(wú)損檢測(cè)驗(yàn)證，評(píng)定試件的焊接質(zhì)量滿足葉輪產(chǎn)品補(bǔ)焊的質(zhì)量要求，說(shuō)明焊接工藝參數(shù)控制合理。

3 焊接工藝評(píng)定破壞性試驗(yàn)

通過(guò)對(duì)評(píng)定試件進(jìn)行破壞性取樣，對(duì)焊接接頭進(jìn)行微觀分析、化學(xué)成分及鐵素體含量測(cè)定、力學(xué)性能及耐腐蝕試驗(yàn)，驗(yàn)證焊接工藝的合理性，從而驗(yàn)證焊縫是否滿足產(chǎn)品要求的耐腐蝕性和力學(xué)性能等各項(xiàng)指標(biāo)。

3.1 評(píng)定試件焊接接頭組織分析

按照RCC-M SI400規(guī)定對(duì)評(píng)定試件的焊接接頭進(jìn)行宏觀取樣，并對(duì)試樣進(jìn)行腐蝕，焊接接頭區(qū)域未見(jiàn)未熔合、氣孔、夾渣、未焊透、裂紋等缺陷。

在顯微鏡下觀察焊縫根部、熔敷金屬、熔合線、熱影響區(qū)，結(jié)果如圖3所示，微觀組織為鐵素體(α)+奧氏體(γ)雙相組織，從微觀組織分析，奧氏體組織比例略高于鐵素體組織，未見(jiàn)不良化合相和沉淀物析出。

圖3 焊縫微觀組織形貌

3.2 化學(xué)成分及鐵素體含量測(cè)定

對(duì)熔敷金屬試樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 熔敷金屬化學(xué)成分 (質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

按照ASMT E562法對(duì)試樣進(jìn)行鐵素體含量測(cè)定，結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 鐵素體含量測(cè)定結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

通過(guò)熔敷金屬化學(xué)成分驗(yàn)證點(diǎn)蝕當(dāng)量PRE(N)=1%Cr+3.3%Mo+16%N=42.3，滿足標(biāo)準(zhǔn)及客戶技術(shù)條件的要求。

母材、熱影響區(qū)及焊接接頭的鐵素體含量為30%～40%，形成奧氏體組織略占優(yōu)勢(shì)的雙相組織，具有優(yōu)良的耐腐蝕性。

3.3 力學(xué)性能試驗(yàn)

根據(jù)ISO 15614-1中7.4.1要求，按照ISO4136進(jìn)行橫向拉伸取樣，根據(jù)ISO 15614-1中7.4.2要求，按照ISO 5173進(jìn)行橫向彎曲取樣，對(duì)焊接接頭進(jìn)行橫向拉伸試驗(yàn)、橫向彎曲試驗(yàn)、沖擊試驗(yàn)、硬度檢測(cè)等力學(xué)性能試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果均符合要求，見(jiàn)表5。

表5 焊縫力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

力學(xué)性能試驗(yàn)表明，焊接接頭具有較好的拉伸性能、屈服強(qiáng)度及塑形，優(yōu)良的沖擊韌性和硬度，焊接接頭力學(xué)性能滿足要求。

3.4 耐腐蝕試驗(yàn)

為驗(yàn)證焊縫耐腐蝕性能，按照ASTM G48 A法對(duì)焊接接頭進(jìn)行耐點(diǎn)蝕及縫隙腐蝕試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度22 ℃，在6%FeCL3溶液浸蝕劑下24 h，腐蝕重量損失不超過(guò)0.5 mg/cm2，評(píng)定試驗(yàn)腐蝕量結(jié)果為0.04 mg/cm2，滿足技術(shù)條件要求。

按照RCC-M MC1000 A法對(duì)焊接接頭進(jìn)行晶間腐蝕試驗(yàn)，試樣在浸蝕劑10%CuSO4·5H2O，10%H2SO4，80%H2O銅粒中腐蝕24 h，然后進(jìn)行675 ℃敏化處理，保溫10 min。經(jīng)對(duì)敏化腐蝕試樣和焊態(tài)試樣進(jìn)行180°彎曲試驗(yàn)，彎曲后敏化腐蝕試樣及焊態(tài)試樣受拉面均未見(jiàn)裂紋等晶間腐蝕現(xiàn)象，晶間腐蝕滿足技術(shù)條件要求。

耐腐蝕試驗(yàn)驗(yàn)證了該雙相不銹鋼焊接后具有優(yōu)良的耐腐蝕性，在含氯化物的環(huán)境中抗應(yīng)力腐蝕能力較強(qiáng)。

4 葉輪產(chǎn)品焊接修復(fù)

葉輪鑄造后，經(jīng)滲透檢測(cè)、射線檢測(cè)后，對(duì)于發(fā)現(xiàn)的鑄造超標(biāo)缺陷，按照上述評(píng)定合格的焊接工藝進(jìn)行了焊補(bǔ)修復(fù)。為了減少和防止焊縫和熱影響區(qū)產(chǎn)生較高的鐵素體，以及避免焊接熱影響區(qū)的晶粒粗大現(xiàn)象，對(duì)產(chǎn)品焊接修復(fù)時(shí)嚴(yán)格執(zhí)行制定的焊接工藝參數(shù)，并執(zhí)行如下措施。

(1)按照上述評(píng)定合格的焊評(píng)，制定葉輪詳細(xì)的補(bǔ)焊工藝制度。

(2)葉輪補(bǔ)焊前，用丙酮清洗待補(bǔ)焊部位及周圍母材，確保待焊部位清潔無(wú)油污等。

(3)焊接過(guò)程中，采用接觸式測(cè)溫儀對(duì)焊補(bǔ)部位進(jìn)行層間道間溫度監(jiān)控，控制層間溫度不高于150 ℃。

(4)采用多層多道焊，盡可能減小焊接熱輸入，引弧熄弧要用砂輪打磨；相鄰焊道的引弧和熄弧盡可能錯(cuò)開(kāi)。

(5)滿焊后再施焊一道工藝焊縫，然后再將工藝焊縫打磨去除。

(6)補(bǔ)焊后進(jìn)行100%滲透檢測(cè)，若需要，也要進(jìn)行射線檢測(cè)。

5 結(jié)論

(1)通過(guò)合理的焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)，選擇匹配焊接材料及適用焊接方法，確定了Z6CNDU20-08M雙相不銹鋼循環(huán)泵葉輪的鑄件缺陷修復(fù)焊接工藝。

(2)已使用該焊接工藝進(jìn)行了多套同材質(zhì)葉輪的鑄件缺陷修復(fù)，經(jīng)滲透、射線等無(wú)損檢測(cè)后，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)焊接敏感裂紋、氣孔等缺陷，鐵素體(α)-奧氏體(γ)雙相組織控制合理。焊接接頭耐腐蝕性能及力學(xué)性能符合RCC-M 標(biāo)準(zhǔn)及客戶技術(shù)規(guī)范要求。經(jīng)焊補(bǔ)修復(fù)的循環(huán)泵葉輪產(chǎn)品已交付客戶使用多年。