12Cr13與304L異種不銹鋼焊接工藝研究

鄒小平，沈天闊，樂學來，郭寶超

1.中廣核工程有限公司，廣東 深圳 518124 2.上海第一機床廠有限公司，上海 201308

0 前言

在壓水堆核電站一回路系統(tǒng)中，設備的運行環(huán)境十分復雜苛刻，對焊接質量有著較高的要求。控制棒驅動機構是核反應堆控制和保護系統(tǒng)的伺服機構，它是反應堆本體中唯一的動設備，其安全性和可靠性直接影響到反應堆的安全與運動，其焊接質量直接決定著核反應堆的服役安全性，如何提高控制棒驅動機構中焊接接頭的綜合性能成為核工業(yè)領域的一個重要研究方向［1-3］。

核反應堆控制棒驅動機構用不銹鋼主要為12Cr13和304L。12Cr13為馬氏體不銹鋼，約含0.1%碳和13%鉻，焊接工藝性能較差，焊后近縫區(qū)會形成粗大的馬氏體硬化區(qū)且導熱性較差，淬硬傾向和過熱傾向較大，一般通過選用高鉻、鎳元素的焊接材料，控制預熱溫度與焊后冷卻速度，焊后熱處理等方式來控制焊接接頭的性能。304L不銹鋼碳含量小于0.03%，是超低碳奧氏體不銹鋼，具有良好的力學性能，且避免了在較高溫度于晶界形成鉻的碳化物造成的晶間腐蝕現象，在壓水堆一回路的堆內構件、控制棒驅動機構等設備的制造中得到了大量的應用。劉國亮［4］等針對焊后熱處理難以同時改善焊縫區(qū)及HAZ性能的難題，采用電子束焊接，通過兩步法焊后熱處理制度（臨界時效680℃/4 h和臨界回火600℃/4 h），使430鐵素體不銹鋼的焊接熱影響區(qū)硬度降低到一個最優(yōu)值，實現了430與316L奧氏體不銹鋼異相焊接。馮毅［5］等采用CMT焊接304/430異種不銹鋼，以較低熱輸入解決430一側熔合區(qū)晶粒組織粗大問題，焊縫金相組織為奧氏體+鐵素體，304一側的熔合區(qū)組織形態(tài)與母材差別不大，而430側熔合線很明顯，焊接接頭抗拉強度高于母材。李友誼［6］等研究了馬氏體沉淀硬化不銹鋼與奧氏體不銹鋼焊接工藝，指出在選擇焊接材料時要兼顧兩種母材各自的物理性能，耐腐蝕性最好優(yōu)于兩側母材的，采用焊條電弧焊“小電流、短電弧、快速、多層多道焊”的軟規(guī)范工藝參數可以減小稀釋率。針對雙相不銹鋼焊接，國內外學者開展了一些研究工作，Ni含量對雙相不銹鋼焊縫組織調控有重要作用［7-8］，適當增加熱輸入有助于提高焊縫中的奧氏體含量［9-10］。馮家瑋［11］研究了含氮奧氏體不銹鋼的焊接工藝，獲得了優(yōu)質的焊接接頭。李子晗［12］研究了搭接間隙對不銹鋼焊縫成形的影響規(guī)律。

12Cr13與304L不銹鋼焊接時，12Cr13馬氏體鋼側的碳勢高，會導致304L不銹鋼側增碳，降低304L側焊接接頭耐蝕性能，可有效阻斷因碳遷移引起的接頭質量下降。文中通過在12Cr13鋼母材上先堆焊鎳基合金焊絲ERNiCrFe-7A隔離層后熱處理，再用ERNiCrFe-7A將其與304L鋼母材以坡口對接形式進行焊接，并分析焊接工藝和熱處理制度對熔敷金屬組織和焊接接頭力學性能的影響。

1 試驗材料

1.1 母材

試驗用母材為退火態(tài)12Cr13馬氏體不銹鋼和304L超低碳奧氏體不銹鋼，其化學成分及力學性能分別如表1、表2所示。試板尺寸600 mm×150 mm×20 mm和600 mm×150 mm×9 mm。

表1 12Cr13和304L化學成分（質量分數，%）Table 1 Chemical composition of 12Cr13 and 304L（wt.%）

表2 12Cr13和304L主要力學性能Table 2 Main mechanical properties of 12Cr13 and 304L

1.2 焊接材料

焊接材料選用ERNiCrFe-7A型鎳基合金焊絲，直徑1.2 mm，其Cr含量達到了30%，并加入了Co、Al、Ti、Ta、Nb等元素，較高的Cr含量使其在核輻射環(huán)境中具有更好的抗應力腐蝕開裂能力。該種焊絲具有電弧穩(wěn)定、成形美觀、抗氣孔性佳、熔敷金屬機械性能穩(wěn)定、耐蝕性好等特點，其化學成分及力學性能如表3、表4所示。

表3 ERNiCrFe-7A化學成分（質量分數，%）Table 3 Chemical composition of ERNiCrFe-7A（wt.%）

表4 ERNiCrFe-7A主要力學性能Table 4 Main mechanical properties of ernicrfe-7A

2 試驗方案

根據核反應堆控制棒驅動機構設計及制造要求，拆卸鈕、保護套筒、撓性接頭等零部件均會使用12Cr13與304L兩種不銹鋼材料，有調質處理和退火處理兩種熱處理制度。文中以這兩種方案實施。焊前打磨母材待焊區(qū)域、并用酒精清洗以去除氧化膜。兩種方案焊接時均采用TIG焊，焊機型號MLS3000，鎢極直徑2.4 mm，鎢極角度60°。焊接接頭示意如圖1所示，X型坡口，均先在12Cr13坡口處堆焊隔離層，經熱處理后進行對接焊，焊接工藝參數如表5所示。

圖1 焊接接頭示意Fig.1 Schematic diagram of welded joint

表5 焊接工藝參數Table 5 Welding process parameters

方案一：對有隔離層（厚度4 mm）的12Cr13母材（厚度20 mm）先進行調質處理，通過淬火12Cr13得到馬氏體組織，再通過回火使其轉變?yōu)榛鼗鹚魇象w，得到硬度、強度、塑性、韌性適當的組織。方案二：對有隔離層（厚度2.8 mm）的12Cr13母材（厚度9 mm）先進行退火處理，以達到均勻材料化學成分及組織、細化晶粒、消除內應力的作用，熱處理曲線示意如圖2所示。

圖2 熱處理曲線示意Fig.2 Schematic diagram of heat treatment curve

焊接完成后，采用機械加工方式將焊接接頭制成2個拉伸試樣、4個側向彎曲試樣、3個沖擊試樣以及全焊縫截面的金相試樣、硬度試樣。按照標準AWS B4.0M（Standard methods for mechanical testing of welds），利用CBD-300型沖擊試驗機和WAW-1000微機控制電子萬能試驗機進行力學性能試驗。先用SiC砂紙研磨試樣焊縫截面，然后用2.5 μm拋光膏進行表面拋光。用10%草酸溶液電解腐蝕試樣，電壓為10 V。腐蝕完成后用光學顯微鏡觀察試樣的宏觀及微觀金相組織，采用數顯維氏硬度計YLL22001測量硬度。

3 試驗結果與分析

3.1 焊縫金相檢驗

焊接接頭的宏觀金相如圖3所示。方案1焊縫可見清晰的隔離層輪廓與焊道輪廓（見圖3a），隔離層靠近12Cr13一側存在一定寬度的稀釋區(qū)，焊縫及熱影響區(qū)無裂紋、氣孔等缺陷。方案2焊縫無明顯隔離層輪廓（見圖3b），在最終對接焊過程中，較薄的隔離層有很多區(qū)域被熔化，成為焊縫的一部分。

圖3 焊接接頭宏觀金相Fig.3 Macro metallography of welded joint

圖4a、4b為方案1、方案2的12Cr13母材熱影響區(qū)的微觀金相組織?？梢钥闯?，在方案1中，經過970℃淬火+600℃回火后，12Cr13主要組織為保持馬氏體位向分布的索氏體和鐵素體，在600℃回火溫度下，馬氏體分解，殘留奧氏體發(fā)生轉變，原馬氏體組織晶界變模糊，碳化物大量析出，彌散分布；在方案2中，經過退火及焊接熱循環(huán)，12Cr13熱影響區(qū)存在較多呈片狀、多角狀的鐵素體，密集分布在熔合線附近，尺寸較小，在距離熔合線較遠區(qū)域鐵素體分布較少。

圖4c、4d為方案1焊縫隔離層、對接焊縫的微觀金相組織。由圖4a可知，經焊后熱處理，隔離層晶粒較為粗大，這是因為在熱處理過程中，隔離層在970℃保溫3 h，奧氏體晶粒有充足的時間形核與長大。由圖4d可知，熔敷金屬中主要為方向性明顯的垂直于熔合線的柱狀晶，這是由于熔池冷卻速度快，熔合線附近的溫度梯度最大，晶粒沿著散熱最快的方向生長。

圖4 焊接接頭微觀金相組織Fig.4 Microstructure of welded joint

3.2 焊接接頭力學性能試驗

通過機械加工方法取試樣后，進行焊接接頭室溫拉伸、彎曲以及12Cr13熱影響區(qū)0℃沖擊韌性試驗。焊接接頭力學性能如表6所示。

表6 焊接接頭力學性能Table 6 Mechanical properties of welded joints

由表6可知，方案1接頭抗拉強度為597 MPa、610 MPa且試樣均斷于304L母材，說明方案1可以滿足設計要求。結合方案1所對應的焊接接頭組織可以看出，經過熱處理后，馬氏體分解，殘留奧氏體發(fā)生轉變，原馬氏體組織晶界變模糊，碳化物大量析出，彌散分布，提高了焊接接頭強度。方案2焊縫抗拉強度為595 MPa、596 MPa，兩個試樣分別斷于304L母材與焊縫；方案1彎曲后焊縫和熱影響區(qū)均無超過3 mm的任何方向的開裂缺陷；方案1的12Cr13熱影響區(qū)試樣0℃沖擊功分別為168 J、135 J、154 J，方案2的12Cr13熱影響區(qū)試樣0℃沖擊功分別為44 J、42 J、40 J，與方案1結果存在較大差距。這是因為最終對接焊時隔離層的消失導致馬氏體不銹鋼受到焊接熱循環(huán)的影響，較高的溫度與快速冷卻使馬氏體不銹鋼HAZ析出了較多的片狀鐵素體，導致其強度與沖擊韌性下降。

3.3 焊接接頭硬度試驗

在焊接接頭上沿橫向每隔1 mm測一個硬度數據。從接頭力學性能可以看出，方案1的焊接效果更好，因此測量了方案1接頭硬度曲線如圖5所示。

圖5 方案1接頭硬度值Fig.5 Joint hardness value of scheme 1

可以看出，12Cr13熱影響區(qū)硬度均勻，無接頭硬化現象。調質處理使12Cr13形成了均勻的回火組織，有效改善了12Cr13熱影響區(qū)硬化現象，足夠厚度的隔離層保證了12Cr13受到最終對接焊熱循環(huán)的影響較少，最終硬度均勻，力學性能較好。隔離層硬度值存在一定的波動，這是因為隔離層存在一定的稀釋區(qū)，導致這一區(qū)域，尤其是靠近12Cr13一側的化學成分不均勻，從而導致隔離層的硬度值不穩(wěn)定。最終對接焊縫與304L母材硬度較為均勻。

4 結論

（1）針對核反應堆控制棒驅動機構用材料12Cr13與304L異種不銹鋼焊接開展研究，結果表明，采用堆焊4 mm隔離層+調質處理的工藝，可有效避免馬氏體不銹鋼在焊接過程中出現接頭硬化及裂紋等缺陷，獲得質量較好的焊接接頭。

（2）焊接隔離層時，應有足夠的隔離層厚度，以預留足夠的隔離層稀釋區(qū)，減小最終焊接熱循環(huán)對焊接性較差的母材的影響。

（3）調質處理會導致鎳基合金隔離層的奧氏體晶粒長大，但其強度仍高于304L母材。

（4）通過隔離層焊接可以實現12Cr13與304L異種不銹鋼的優(yōu)質焊接，但其中涉及的焊接冶金機理方面的研究還有待開展。