熱輸入量對低合金鋼焊縫表面不銹鋼堆焊層性能影響研究

 浙江至德鋼業(yè)有限公司采用不同熱輸入量的焊接參數在低合金鋼焊縫表面堆焊不銹鋼堆焊層，通過(guò)對橫向側彎試驗結果和微觀(guān)金相的研究，分析了熱輸入量對不銹鋼堆焊層性能的影響趨勢，對蒸汽發(fā)生器產(chǎn)品制造或焊接工藝評定具有一定的指導意義。

 蒸汽發(fā)生器是一回路冷卻劑將核蒸汽供應系統的熱量傳給二回路給水，使之產(chǎn)生一定壓力、一定溫度和一定干度蒸汽的熱交換設備。在蒸汽發(fā)生器制造過(guò)程中，與帶放射性的一回路反應堆冷卻劑接觸的低合金鋼表面需堆焊不銹鋼堆焊層，其主要起耐腐蝕作用。因此，在蒸汽發(fā)生器設計中，處于與冷卻劑接觸的低合金鋼焊縫表面也需要堆焊不銹鋼堆焊層，采用帶極埋弧堆焊，焊道寬且平滑，熔敷效率高，利于提高產(chǎn)品制造進(jìn)度。本文通過(guò)采用不同熱輸入量的埋弧堆焊參數在模擬產(chǎn)品低合金鋼焊縫的試件上進(jìn)行不銹鋼堆焊，研究熱輸入量對不銹鋼堆焊層性能的影響趨勢，對蒸汽發(fā)生器產(chǎn)品制造或焊接工藝評定具有一定的指導意義。

一、試驗過(guò)程

 1. 母材和焊材

 試驗母材采用與蒸汽發(fā)生器產(chǎn)品相同材質(zhì)的SA-508Gr.3Cl.2鍛件，其是ASME規范第Ⅱ卷A篇材料，公稱(chēng)化學(xué)成分為0.75Ni-0.5Mo-Cr-V，屬低合金高強鋼。由于含有較多的合金元素，碳當量達0.76%，焊接過(guò)程中熱影響區具有較高的淬硬傾向，因此適當進(jìn)行焊前預熱、后熱，控制焊接冷卻速度是確保堆焊層母材熱影響區不產(chǎn)生冷裂紋的必要條件。在焊接材料選用方面，除了焊帶化學(xué)成分應滿(mǎn)足要求外，堆焊層金屬的各項力學(xué)性能也應滿(mǎn)足要求，且焊帶和焊劑還要具備優(yōu)良的焊接工藝性能。焊劑對堆焊過(guò)程的穩定性有很大影響，而穩定的堆焊過(guò)程是獲得可靠焊道質(zhì)量的保證。根據對多個(gè)知名焊材廠(chǎng)家對比，我們采用了SAF公司生產(chǎn)的EQ309L/EQ308L/焊劑、E9018-G焊接材料。

 2. 坡口形式

 根據產(chǎn)品的實(shí)際情況，在母材和焊材準備就緒后，先采用E9018-G焊條將凹槽填充平整以便模擬產(chǎn)品低合金鋼焊縫，然后再采用帶極埋弧堆焊不銹鋼堆焊層，首層采用EQ309L進(jìn)行堆焊，其它層采用EQ308L進(jìn)行堆焊，共堆焊三層。試件的坡口形式如圖所示。

3. 焊接過(guò)程

 共焊接三副試件，其中每個(gè)試件低合金鋼焊縫的焊接參數相同，但不銹鋼堆焊層采用不同的熱輸入量的焊接參數進(jìn)行堆焊，各試件的堆焊工藝參數見(jiàn)表。

 對于表中的熱輸入量，其計算公式如下：Q=U×I×60/v式中：Q——表示熱輸入量，單位為焦每毫米（J/mm）；U——表示電壓，單位為伏特（V）；I——表示電流，單位為安培（A）；v——表示焊接速度，單位為毫米每分鐘（mm/min）。焊后及熱處理后對堆焊試件進(jìn)行了PT和UT檢測，結果全部合格。PT檢測的合格標準符合ASME第Ⅲ卷的要求；UT檢測需要采用直探頭法進(jìn)行100%的結合面完整性及缺陷的檢測，測試方法符合ASME第Ⅴ卷的要求。試件焊接完成后進(jìn)行了608±10℃/24h的消應力退火熱處理。試件探傷合格后，在每個(gè)試件上分別制備4個(gè)橫向側彎試樣，試樣包括全部堆焊層金屬及母材全部厚度，并按照ASME規范第Ⅸ卷的要求進(jìn)行彎曲試驗，合格指標為在彎曲后的凸面上沿任何方向測量，在焊縫和熱影響區內不得有超過(guò)3.2mm的開(kāi)口缺陷。

 4. 試驗結果與分析

 在試件1上制備的側彎試樣中，4個(gè)試樣均不合格，在堆焊層上不同程度地存在3.2-3.6mm開(kāi)口缺陷，開(kāi)口缺陷的數量較多，且均出現在EQ309堆焊層。在試件2上制備的側彎試樣中，有3個(gè)試樣不合格，堆焊層上存在2.4-3.0mm開(kāi)口缺陷，開(kāi)口缺陷的數量較試件1彎曲試驗的開(kāi)裂有明顯減少，但開(kāi)裂還是出現在EQ309堆焊層。在試件3上制備的側彎試樣中，4個(gè)試樣均合格，沒(méi)有出現開(kāi)口缺陷。為分析開(kāi)裂原因，在試件1彎曲試樣的開(kāi)裂處制備微觀(guān)試樣進(jìn)行檢測。經(jīng)分析，認為在焊接過(guò)程中熱輸入量過(guò)大且道間溫度過(guò)高，造成晶粒粗大且馬氏體在晶內和晶界處聚集引起脆化，致使彎曲時(shí)受拉伸力的作用沿晶界產(chǎn)生裂紋。

 為了能夠與試件1彎曲開(kāi)裂部位微觀(guān)檢測形成對比，在試件3上相似部位同樣制備了微觀(guān)試樣進(jìn)行檢測。通過(guò)微觀(guān)分析，由于降低了焊接熱輸入量，且嚴格堆焊過(guò)程，馬氏體帶較試件1彎曲開(kāi)裂部位明顯變窄，且晶界處的馬氏體量也較前一次焊接的明顯變少。

二、結論

 由分析結果可以看出，帶極埋弧堆焊的熱輸入量對低合金鋼焊縫表面的不銹鋼堆焊層，特別是對EQ309L堆焊層性能的影響比較大。隨著(zhù)熱輸入量的降低，彎曲試樣的開(kāi)裂程度呈逐步下降的趨勢，晶界處的馬氏體明顯減少。在蒸汽發(fā)生器產(chǎn)品制造或焊接工藝評定過(guò)程中，應對這種開(kāi)裂趨勢引起重視，以便保證不銹鋼堆焊層的性能質(zhì)量。