單層均質(zhì)電渣堆焊在VVER型核電機組穩(wěn)壓器上的應(yīng)用

吳 慶

(江蘇核電有限公司，江蘇 連云港 222042)

表1 兩種堆焊工藝的技術(shù)和經(jīng)濟指標(biāo)[6]Table 1 Technical and economic indicators of different surfacing process [6]

20世紀(jì)80年代俄羅斯研發(fā)了НП-03Х22Н11Г2Б焊帶和ФЦ-18熔煉焊劑的單層均質(zhì)電渣堆焊材料[5]，但因其質(zhì)量不穩(wěn)定，熔敷金屬中碳含量不能始終滿足≤0.04%的要求，無法保證穩(wěn)定的抗晶間腐蝕性能，因此單層均質(zhì)電渣堆焊未能在主設(shè)備上真正使用。為使該工藝能實際應(yīng)用到VVER型核電機組主設(shè)備上，從2007年起，俄羅斯中央材料院和伊佐爾廠開展了多種焊材組合的試驗，最終選用ESAB公司的OK Band 11.72 (309LNb ESW)焊帶和OK Flux 10.10焊劑完成了單層均質(zhì)防腐層電渣堆焊工藝的研究和開發(fā)。經(jīng)論證其具有優(yōu)良的堆焊質(zhì)量，可以用于VVER型核電機組穩(wěn)壓器內(nèi)部防腐蝕層堆焊上。

1 單層均質(zhì)電渣堆焊焊接工藝選擇

1.1 焊材選擇

根據(jù)多種牌號焊材組合的試驗結(jié)果，OK Band 11.72焊帶和OK Flux 10.10焊劑焊接得到的熔敷金屬化學(xué)成分與НП-03Х22Н11Г2Б焊帶匹配ФЦ-18焊劑的熔敷金屬成分類似，并且熔敷金屬中的鐵素體含量為4%～8%，兩者焊材熔敷金屬的化學(xué)成分見表2。

表2 單層均質(zhì)防腐層熔敷金屬化學(xué)成分Table 2 The chemical composition of the deposited metal of the single-layer homogeneous anti-corrosion layer

電渣堆焊要求熔渣池具有導(dǎo)電性，提高焊劑中氟化物含量可以增加渣池的電導(dǎo)率，氟化物含量超過50%為熔渣熔化[4]，OK Flux 10.10焊劑中CaF2比例為63%[7]。

1.2 施加外部磁場 保證焊道成型

電渣堆焊的電流從焊帶平行地流向熔池尾部，所產(chǎn)生的力使熔渣和熔融金屬從熔池的邊緣向中心移動，造成焊道邊緣處熔融金屬不足而產(chǎn)生咬邊。通過施加外部磁場，產(chǎn)生等于或略大于焊接流體力的反向洛倫茲力，來保證將熔融金屬均布到焊道邊緣部位，消除沿其邊緣和搭接處的凹陷和咬邊，獲得表面成型良好的焊道。

外部磁場的電流越大，熔融金屬向邊緣的流動性越大，但母材稀釋率也隨之增加，因此外部磁場僅需弱到不產(chǎn)生咬邊即可，并且外加磁場的電流與焊帶寬度成正比，小于50 mm寬的焊帶無需外加磁場。洛倫茲力與外部磁場的關(guān)系見表3，2 A的電流通過線圈產(chǎn)生700 dyn/cm的力，該力可以完全滿足熔渣和熔融金屬的流動力，不會產(chǎn)生咬邊[4]，堆焊表面質(zhì)量如圖1所示。

圖1 熔敷金屬表面質(zhì)量Fig.1 Surface quality of the deposited metal

表3 電磁線圈電流與洛倫茲力之間的關(guān)系Table 3 The relationship between the current through the electromagnetic coil and Lorentz force

1.3 確定焊接工藝參數(shù)

電渣堆焊焊接工藝參數(shù)與焊道高度、母材稀釋率以及鐵素體含量之間關(guān)系密切。焊道高度隨著電流、電壓的增大而增加，與焊接速度成反比；母材稀釋率隨著電壓的增加而減少，與焊接速度成正比；鐵素體含量與電流和電壓成正比，與焊接速度呈線性下降關(guān)系[4]。經(jīng)試驗，不同截面尺寸焊帶的電渣堆焊最佳焊接工藝參數(shù)見表4。

表4 不同截面尺寸焊帶最佳焊接工藝參數(shù)Table 4 Optimal welding parameters of welding strips with different cross-section sizes

2 堆焊質(zhì)量驗證

為了驗證OK Band 11.72焊帶和OK Flux 10.10焊劑的熔敷金屬是否能夠滿足VVER型核電機組穩(wěn)壓器內(nèi)表面防腐蝕層的質(zhì)量要求，在試板上進行了連續(xù)單層焊道的熔敷，取樣并對試樣進行45 h的620～660 ℃回火熱處理，進行了相關(guān)驗證實驗。

2.1 金相組織

熔敷金屬的微觀組織：熔合區(qū)是10～50 μm寬的低碳馬氏體組織過渡層如圖2(a)所示，熱處理后該過渡層增加到15～60 μm如圖2(b)所示，表明熱處理后增加不大。初始狀態(tài)熔敷金屬是帶有鐵素體相的奧氏體組織，δ鐵素體以分散沉淀和網(wǎng)狀碎片的形式呈現(xiàn)如圖3(a)所示，經(jīng)回火熱處理后僅極少部分δ相鐵素體轉(zhuǎn)化為σ相如圖3(b)所示，表明初始狀態(tài)和熱處理后熱影響區(qū)的組織均未改變。

圖2 熔合區(qū)微觀組織Fig.2 The microstructure of the fusion zone

圖3 熔敷金屬微觀組織Fig.3 The microstructure of the deposited metal

圖4為堆焊層在初始狀態(tài)和熱處理后顯微硬度的變化。圖中陡峭的曲線突變是低碳馬氏體組織熔合區(qū)；熱影響區(qū)顯微硬度增加，隨著離開熔合線的距離越遠，顯微硬度下降，熱處理后熱影響區(qū)的塑性性能增加，熔敷金屬回火熱處理后顯微硬度有一定增加。

圖4 堆焊層顯微硬度變化Fig.4 Changes in the micro-hardness of the surfacing layer

2.2 機械性能

熔敷金屬機械性能實驗證明其機械性能能夠滿足要求，見表5。初始狀態(tài)和熱處理后帶母材和熔敷金屬的靜態(tài)彎曲試樣沿著和垂直于堆焊方向切割，試樣正面彎曲的彎曲角度為40°，側(cè)面彎曲的彎曲角度為30°，靜態(tài)彎曲實驗結(jié)果證明在拉伸表面、側(cè)面以及熔敷金屬與母材的熔合區(qū)均未發(fā)現(xiàn)裂紋、分層和其他缺陷。

表5 熔敷金屬試樣機械性能Table 5 Mechanical properties of the deposited metal samples

2.3 抗晶間腐蝕性能

OK Band 11.72焊帶屬于超低碳不銹鋼，并添加了鈮元素，鈮/碳≥12[8]?？咕чg腐蝕試驗按照俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)ГОСТ 6032—2003，采用АМУ法對熔敷金屬初始狀態(tài)和熱處理后的樣品進行實驗，結(jié)果證實熔敷金屬具有良好的抗晶間腐蝕性能。

2.4 抗熱裂紋性能

熔敷金屬中鐵素體含量是決定熱裂紋敏感性的關(guān)鍵指標(biāo)[3，4]，如果組織中有少量鐵素體，則抗裂性會顯著提高，因為鐵素體破壞了奧氏體晶粒的連續(xù)性，變?yōu)闄M晶，成為奧氏體晶體之間的中間層[9]。因此，要求熔敷金屬中鐵素體含量必須在2%～8%區(qū)間。

檢驗熔敷金屬是否具備抗熱裂紋性能還需通過抗熱裂性實驗，用4～7倍的放大鏡在熔敷金屬酸蝕后的宏觀磨片上進行檢查，實驗結(jié)果表明，無論是在初始狀態(tài)還是在最長的回火熱處理周期后的宏觀磨片上都未發(fā)現(xiàn)熱裂紋。

2.5 熱影響區(qū)再熱裂紋傾向

傳統(tǒng)的雙層埋弧堆焊曾發(fā)現(xiàn)過在珠光體鋼熱影響區(qū)中出現(xiàn)層下裂紋的情況，這種層下裂紋容易在多道焊的后續(xù)焊道對前面焊道的熱影響或焊后熱處理的熱循環(huán)作用而形成[10]。電渣堆焊由于熱輸入線能量較埋弧堆焊低，并且熔合區(qū)窄，熱影響區(qū)組織不易發(fā)生變化，因此相比埋弧焊產(chǎn)生再熱裂紋的幾率低[11]。母材去除防腐層后焊道搭接區(qū)域試樣彎曲實驗也證明了未發(fā)現(xiàn)層下裂紋。

2.6 焊接缺陷

與埋弧焊相比，電渣堆焊由于焊道被高溫熔渣覆蓋，焊縫金屬凝固速率較低，有利于氣體和夾雜類的上浮，因此熔敷金屬中非金屬夾雜少，氣孔類和夾渣類缺陷少[4]。外加磁場可以獲得成型良好的焊道邊緣和浸潤角，消除咬邊。無損檢測證明了熔合區(qū)和熔敷金屬內(nèi)部很少產(chǎn)生未熔合和夾渣類缺陷。

3 問題改進

雖然單層均質(zhì)電渣堆焊具有上述很多優(yōu)點，但實際施焊前還需注意以下內(nèi)容，才能獲得高質(zhì)量的堆焊層。

1)熔敷金屬化學(xué)成分檢測取樣位置：因為單層均質(zhì)熔敷金屬必須反映母材稀釋的作用，代表熔敷金屬中合金化元素的實際含量(特別是鉻元素)，因此焊材入廠復(fù)驗的化學(xué)成分檢測取樣位置應(yīng)在只堆焊一遍熔敷金屬上取樣，而不能在堆焊多遍的熔敷金屬上取樣。

2)合理調(diào)整磁控裝置電流：由于需要采用外加磁控裝置來防止咬邊，實際施焊時必須合理布置磁極位置，分別調(diào)整南、北兩個磁極的磁控電流，通過試焊觀察焊道的浸潤角和表面成型狀況來確定兩邊激磁電流各自的大小，保證電流盡可能地小。

3)返修焊材：目前還無匹配的單層均質(zhì)返修焊材，對于熔合區(qū)缺陷的返修仍需采用Св-07X25H13和Св-04X20H10Г2Б焊絲的雙層氬弧堆焊，或?qū)?yīng)的藥皮焊條手工電弧焊。

4)避免熔合區(qū)未熔合：由于母材熔深淺，操作不當(dāng)或焊接工況調(diào)整不當(dāng)會出現(xiàn)與熔合區(qū)或道間未熔合的可能性。實際電渣堆焊的缺陷大多屬未熔合缺陷，避免了未熔合缺陷，也就避免了焊縫返修。

5)在其他主設(shè)備上的應(yīng)用：由于單層均質(zhì)電渣堆焊熔敷層厚度僅為5 mm左右，無法直接推廣應(yīng)用到需要進行內(nèi)表面防腐蝕層機加工的主設(shè)備上，如反應(yīng)堆壓力容器和蒸汽發(fā)生器集流管。由于單層均質(zhì)堆焊熔敷金屬中缺陷少、熱輸入小對母材產(chǎn)生的熱影響小以及焊接應(yīng)力小等優(yōu)點，因此應(yīng)用在上述設(shè)備上能夠避免上述設(shè)備在役期間易出現(xiàn)的問題。針對這些主設(shè)備的單層均質(zhì)堆焊可以采用堆焊兩層均質(zhì)防腐層的方式，但需開展后續(xù)實驗研究。

6)焊帶中鈮含量的控制：焊帶屬超低碳不銹鋼，并且高含量的鈮進入熔合區(qū)會有層下裂紋的風(fēng)險，因此鈮含量應(yīng)取下限。特別要通過無損檢測的方法檢測熔合區(qū)和熱影響區(qū)是否有層下裂紋。

4 結(jié)論

實驗證明OK Band 11.72焊帶與OK Flux 10.10焊劑的電渣堆焊單層均質(zhì)防腐蝕層具有良好的綜合機械性能、抗晶間腐蝕能力和穩(wěn)定的抗熱裂紋形成能力，并且非金屬夾雜少，不易形成氣孔、未熔合、夾渣、再熱裂紋等缺陷，可以用于VVER型核電機組穩(wěn)壓器和安注箱的制造。目前單層均質(zhì)防腐蝕層電渣堆焊工藝已在國內(nèi)4臺VVER機組核電機組穩(wěn)壓器上得到應(yīng)用。