316H 奧氏體不銹鋼大厚板對接埋弧自動焊

張秀海

埋弧焊在熔敷金屬重量份額中約占20%，廣泛應(yīng)用于船舶、橋梁、壓力容器等的生產(chǎn)中。近年來，盡管新焊接方法不斷出現(xiàn)，但埋弧焊始終未受影響，工藝人員通過研究，將埋弧焊應(yīng)用于600 MW、1 000 MW 超超臨界鍋爐用316H 不銹鋼的焊接；Shao 等人采用窄間隙埋弧焊接方法，結(jié)合多層多道技術(shù)，制造出先進的9Cr 和CrMoV 異種焊接接頭[1]；在內(nèi)置有腐蝕介質(zhì)的高溫抗氧化石化容器設(shè)備中的316H 奧氏體不銹鋼焊接多采用埋弧焊焊接[2]；核電裝備的內(nèi)壁堆焊層采用埋弧不銹鋼帶極堆焊，核電安全端的異種金屬焊接采用絲極埋弧自動焊接；隨著技術(shù)進步，埋弧自動焊接方法越來越多地應(yīng)用在厚壁不銹鋼容器的制造中。

在某大型核電裝備制造中，最初確定采用氬弧焊和手工電弧焊焊接，由于該裝備許多焊接構(gòu)件的厚度達(dá)40～80 mm，焊接量巨大；由于構(gòu)件拼接焊位置均為平焊位，如果采用埋弧自動焊能夠提高焊接效率，保證焊接質(zhì)量，優(yōu)化焊接資源，降低制造成本。經(jīng)過研究，最終決定采用拼接埋弧焊焊接工藝和焊接材料。

1 埋弧焊的工藝特點

用埋弧自動焊焊接奧氏體不銹鋼時，由于奧氏體導(dǎo)熱性差，易造成熱影響區(qū)過熱，晶粒粗大，敏化區(qū)間增大，對焊縫組織和耐腐蝕性產(chǎn)生一定影響。奧氏體不銹鋼埋弧焊接技術(shù)在部分核電項目的壓力容器制造中效果良好，如CENTER 項目、民核接管安全端的焊接等。

埋弧自動焊焊接工藝的要點：

（1） 奧氏體導(dǎo)熱系數(shù)小，電阻大，焊絲熔化快，所以要盡可能采用較小的電流、較高的焊接速度。

（2） 焊接材料含有易氧化的合金元素，必須選用合適的電壓和焊接材料，通過合理控制焊接過程，保證焊縫化學(xué)成分的穩(wěn)定；ASME 標(biāo)準(zhǔn)第二卷C 篇焊條焊絲及填充金屬SFA-5.9《不銹鋼光焊絲和填充絲標(biāo)準(zhǔn)》指南中表A1 列出埋弧焊時合金元素的變化情況（見表1）。

表1 埋弧焊時合金元素變化

（3） 嚴(yán)格控制層溫≤100 ℃。

由不銹鋼物理特性可知，采用過大焊接規(guī)范會使焊接件產(chǎn)生較大變形，以及較大的焊接殘余應(yīng)力，易促進熱裂紋的生成。因此，不銹鋼埋弧焊接時應(yīng)盡可能降低熱輸入量。

筆者在研制快堆用316H 埋弧焊不銹鋼焊接材料時，充分考慮316H 奧氏體不銹鋼的焊接特點，同時考慮焊接接頭強度、高溫長時性能、耐晶間腐蝕性能，從焊縫合金系統(tǒng)進行良好匹配，同時在保證焊縫質(zhì)量（主要是滿足探傷要求） 的前提下，合理調(diào)整焊接電流、焊接電壓和焊接速度，控制焊接熱輸入，經(jīng)過評定，確保焊縫熱影響區(qū)保持較高的沖擊韌性。

2 焊接材料

分析現(xiàn)有316H 不銹鋼及其所用埋弧焊焊絲，可知Cr、Mn、Si、C 等合金元素含量高，且為易氧化燒損元素，當(dāng)焊接規(guī)范發(fā)生波動時，合金氧化情況也會發(fā)生波動。因此，埋弧焊焊接時應(yīng)保持焊接工藝參數(shù)基本不變，此外，焊接材料應(yīng)有良好的工藝性，以保持焊接過程穩(wěn)定。

2.1 埋弧自動焊焊接工藝確定

在研究焊接材料時，應(yīng)盡可能減小焊接電流、電壓，提高焊接速度，以便降低熱輸入量。因此，焊劑采用優(yōu)質(zhì)高純的大理石、氧化鎂、三氧化二鋁作為造渣劑，輔以大量氟化鈣作為脫氫劑，通過添加硅鐵、金屬鉻等平衡合金元素的燒損。經(jīng)過配方調(diào)整試驗、工藝規(guī)范試驗，最終確定經(jīng)典工藝規(guī)范（見表2），以及焊劑適用焊接規(guī)范（見表3），在此工藝參數(shù)下焊接，焊接過程穩(wěn)定，焊劑的焊接工藝性良好（見圖1）。

圖1 厚板拼接埋弧焊焊接實例

表2 典型工藝規(guī)范試驗及結(jié)果

表3 埋弧焊適用工藝規(guī)范參數(shù)

2.2 焊縫成分控制

通過埋弧焊焊縫成分調(diào)整試驗，筆者初步掌握316H 不銹鋼焊縫力學(xué)性能影響規(guī)律，本文分析的重點是主要合金元素與高溫強度和加速時效沖擊性能的關(guān)系。在其他主要合金元素基本穩(wěn)定時，隨著硅含量的增加，高溫強度有輕微下降趨勢（見表4）；在奧氏體不銹鋼中加入一定的硅有助于改善耐腐蝕性，但是硅是促進鐵素體形成元素，在調(diào)整焊縫中硅元素時必須注意。在其他主要合金元素基本穩(wěn)定時，隨著錳的增加，各項性能變化趨勢并不明顯（見表5）；錳元素是非常弱的奧氏體形成元素，有一定的固溶作用，能穩(wěn)定奧氏體，對焊縫的時效性能的影響較明顯。在其他主要合金元素基本穩(wěn)定時，隨著碳的增加，室溫、高溫強度變化趨勢并不明顯，時效沖擊有輕微降低（見表6）；碳作為不銹鋼中必然存在的元素，對保持高溫強度具有較明顯的作用，但是容易使焊縫韌性惡化。鐵素體含量變化對時效后室溫沖擊影響明顯（見表7），316H不銹鋼的主要組織為奧氏體，引入適量的鐵素體可以提高焊縫的抗熱裂紋能力，改善焊縫耐晶間腐蝕能力，但是鐵素體屬于硬脆組織，可能對加速時效性能產(chǎn)生不利影響，所以需要確定鐵素體含量的較佳點，使焊縫擁有較好的綜合力學(xué)性能。

表4 焊條熔敷金屬化學(xué)成分及基本性能 （wt.%）

表5 焊條熔敷金屬化學(xué)成分及基本性能 （wt.%）

表6 焊條熔敷金屬化學(xué)成分及基本性能 （wt.%）

表7 熔敷金屬鐵素體含量與時效沖擊

2.3 氫含量的控制

在奧氏體焊縫中氫存在于面心立方晶格的間隙中，幾乎沒有發(fā)現(xiàn)擴散氫，奧氏體焊縫極少發(fā)生氫致危害。因此，一般的奧氏體不銹鋼焊接時并沒有提出氫含量的控制要求，如三代核電用奧氏體不銹鋼焊接材料的氫含量均≥10 ppm。

本文所述核電裝備的運行環(huán)境溫度很高，考慮到高溫時氫的活動、聚集對焊縫產(chǎn)生不良影響，設(shè)計方提出氫含量≤5 ppm。

鑒于氫在奧氏體不銹鋼熔敷金屬中的溶解度較高，必須合理匹配焊絲和焊劑，盡量減少焊縫熔敷金屬中的氫。

首先，采用優(yōu)質(zhì)高純的大理石、氧化鎂、三氧化二鋁作為造渣劑，以氟化鈣作為脫氫劑，通過添加硅鐵、金屬鉻等以平衡合金元素的燒損，通過氟化物聯(lián)合硅氧化物脫氫。

焊劑中的含氟、硅化合物與硅合金的精細(xì)匹配有利于除氫反應(yīng)的進行，有效除去自身的殘留氫及由空氣、母材試板帶來的氫，使焊縫的氫含量能夠滿足裝備制造的要求。

二是嚴(yán)格控制焊絲的氫含量，采用先進的連鑄、連軋方式制備原線，使焊絲中氫含量≤0.000 05；精準(zhǔn)控制焊劑的燒結(jié)溫度和燒結(jié)過程，使焊劑成品含氫量控制在極低水平。

3 埋弧焊焊接預(yù)工藝評定

在確定埋弧焊焊接材料和焊接工藝后，按照裝備制造技術(shù)要求，按照ASME BPVC.IX-2015、192001D4JED02SB19JG3 RevA 進行試板準(zhǔn)備、焊接和實驗（見表8、表9，圖2）。

圖2 埋弧焊預(yù)工藝評定平板對接接頭試板

表8 埋弧焊預(yù)工藝評定用材料

表9 埋弧焊預(yù)工藝評定用焊接規(guī)范

預(yù)焊接工藝評定完成試板焊接后，檢驗焊接接頭和熔敷金屬（見表10）。按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 223進行化學(xué)成分檢驗，取樣位置為焊縫中線（見表11），按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 2652-2008、GB/T 228.2-2015進行焊接接頭拉伸試驗、熔敷金屬拉伸試驗（見表12、表13），按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 2650-2008 進行焊接接頭沖擊性能檢測（見表14），按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 4334-2008 E 法進行晶間腐蝕檢測，晶間腐蝕試樣尺寸為3 mm×10 mm×80 mm（見表15），檢測結(jié)果均滿足“技術(shù)條件”要求。對焊接接頭進行無損檢測探傷（見表16），結(jié)果100%合格。

表10 埋弧焊預(yù)工藝評定焊縫檢驗結(jié)果

表11 埋弧焊預(yù)工藝評定焊縫化學(xué)成分 （wt.%）

表12 埋弧焊預(yù)工藝評定焊接接頭拉伸試驗

表13 埋弧焊預(yù)工藝評定熔敷金屬拉伸試驗

表14 埋弧焊預(yù)工藝評定焊接接頭沖擊試驗

表15 埋弧焊預(yù)工藝評定焊接接頭晶間腐蝕檢測結(jié)果

表16 埋弧焊預(yù)工藝評定焊接接頭無損檢測

4 結(jié) 語

本文針對大型核電裝備制造開展316H 奧氏體不銹鋼埋弧自動焊焊接工藝和焊接材料的研究，結(jié)果經(jīng)過焊接預(yù)工藝評定，以及各項性能檢測試驗。檢測結(jié)果全部合格，埋弧自動焊焊接工藝和焊接材料滿足該項目的裝備制造要求。