焊后熱處理時間對核電用碳鋼焊條CHE507HR2熔敷金屬性能的影響

任 軍 ，陳維富 ，蔣 勇 ，霍玲玲 ，朱 平 ，趙建倉 ，匡艷軍，黃騰飛，邱振生

（1.四川大西洋焊接材料股份有限公司，四川自貢 643000；2.蘇州熱工研究院有限公司，江蘇 蘇州 215004；3.中廣核工程有限公司，廣東 深圳 518124）

0 前言

國家能源“十二五”規劃明確提出：新建核電機組必須符合三代安全標準。隨著國內三代核電機組的陸續開工，對三代核電機組用焊接材料的需求也與日俱增，核島主設備重型支撐需用到大量碳鋼焊條，該焊條提出了最長保溫40 h熱處理態的性能要求，但因熱處理保溫時間不同，熔敷金屬力學性能會發生顯著變化。針對上述要求，采用CaO-SiO2-CaF2堿性渣系，獲得純凈度高的焊縫金屬，采用Mn-Si-Mo系合金系統，獲得良好的力學性能，成功開發了用于三代核電機組的碳鋼焊條CHE507HR2，研制的焊條獲得了良好焊接工藝性能和力學性能，且在不同熱處理保溫時間下都能獲得滿足技術指標要求的力學性能，能夠滿足第三代核電機組用焊接材料的技術指標。研究核電碳鋼焊條CHE507HR2在不同熱處理保溫時間下的力學性能，對該焊條在三代核電機組主設備重型支撐的焊接應用具有一定的指導意義。

1 試驗方法和設備

采用焊條CHE507HR2，規格4.0 mm。依據GB/T 25774.1的規定，采用試件類型1.3進行熔敷金屬力學性能試驗，母材為Q345鋼，試板尺寸250 mm×150 mm×20 mm，坡口角度為10°，坡口間隙 16 mm（見圖1）。焊接規范為：焊接電流180 A，焊接電壓為 24～26 V，焊接速度0.2～0.3 cm/s。焊后模擬消應熱處理制度為：保溫溫度595℃～625℃，保溫時間分別為1 h、16 h、40 h，進出爐溫度為 300℃，升降溫速度不超過60℃/h。

圖1 試板拼接與焊接道次安排

采用SPECTROLAB M9型直讀光譜儀進行CHE507HR2焊條熔敷金屬化學成分分析，采用RE-8030萬能材料試驗機進行拉伸試驗，采用ZBC-3302-C型擺錘式沖擊試驗機進行低溫沖擊試驗和系列沖擊試驗，采用ZCJ-2203落錘試驗機進行落錘試驗，采用Carl Zeiss光學顯微鏡對熔敷金屬的組織進行觀察，采用Zeiss EV018型掃描電鏡對熔敷金屬沖擊試樣進行斷口分析。

2 試驗結果

2.1 熔敷金屬化學成分

CHE507HR2焊條熔敷金屬化學成分如表1所示，化學成分滿足設計技術要求。

表1 CHE507HR2熔敷金屬化學成分%

2.2 熔敷金屬拉伸試驗結果

熔敷金屬拉伸試驗結果如表2所示。試驗結果顯示，研制的核電碳鋼焊條力學性能滿足設計技術要求，隨著熱處理保溫時間的延長，熔敷金屬抗拉強度和屈服強度逐漸降低，延伸率有所提高。

表2 室溫熔敷金屬拉伸試驗結果

2.3 熔敷金屬沖擊試驗結果

上平臺沖擊試驗和落錘試驗如表3所示，熔敷金屬沖擊試驗結果如表4所示。試驗結果顯示，研制的核電碳鋼焊條沖擊性能滿足設計條件的要求，隨著熱處理保溫時間的延長，沖擊吸收能量略有提高，上平臺沖擊溫度變化不大，TNDT溫度變化不顯著。

表3 室溫熔敷金屬拉伸試驗結果

2.4 熔敷金屬金相組織分析

分析CHE507HR2焊條熔敷金屬試樣金相組織，采用的腐蝕劑為4%硝酸酒精，熔敷金屬組織特征如圖2所示。

表4 熔敷金屬沖擊試驗結果

圖2 熔敷金屬顯微組織

由圖2a、圖2c、圖2e可知，該碳鋼焊條熔敷金屬的蓋面層為未經焊接熱循環影響的原始組織，組織特征為少量先共析鐵素體與比例達到95%以上的針狀鐵素體混合組織。由圖2b、圖2d、圖2f可知，焊縫中心組織在隨后的焊接中經受焊接熱循環的影響，組織形態變為針狀鐵素體與粒狀珠光體形成的混合組織，熔敷金屬顯微組織表明，該碳鋼焊條熔敷金屬組織為針狀鐵素體，且組織細小，具有良好的熔敷金屬組織特征。隨著熱處理保溫時間的延長，碳化物的彌散析出增多，且在一定程度上發生聚集長大而粗化。

2.5 熔敷金屬沖擊試樣斷口分析

對CHE507HR2焊條熔敷金屬-30℃沖擊試樣進行斷口分析，沖擊試樣斷口掃描如圖3所示，對沖擊試樣的夾雜物分析如圖4所示。

圖3 熔敷金屬沖擊斷口掃描

圖4 夾雜物成分曲線

在三種熱處理保溫時間下，宏觀上表現為截面起伏較大，說明發生了較多的塑性變形，從圖3沖擊試樣斷口掃描圖可以看出，微觀斷口具有典型的韌窩特征，密布著大小不同的圓形或橢圓形韌窩，在韌窩底部可以發現一些細小的第二相質點，能譜分析表明這些質點為Mn、Si、Ti的氧化物。

3 分析與討論

通過采用CaO-SiO2-CaF2堿性渣系，獲得純凈度高的焊縫金屬，通過原輔材料優選將雜質元素控制在極低的水平，其熔敷金屬純凈度顯著提升，研發出核電用碳鋼焊條，實現了較窄區間的元素成分控制。熔敷金屬化學成分控制的主要目的是為獲得大量的針狀鐵素體組織。加入 w（C）=0.05%～0.15%的對含有 w（Mn）=0.6%～1.8%的焊條電弧焊焊縫組織和性能的影響的研究顯示，C促進了針狀鐵素體的形成，抑制了晶界多邊形鐵素體。Mn含量從0.65%增加到1.80%時，針狀鐵素體的數量增加，先共析鐵素體和側板條鐵素體的數量減少，且針狀鐵素體的晶粒度變得更加細小。Mo是鐵素體穩定元素，控制焊縫中Mo質量分數小于0.45%，Mo質量分數的增加能抑制焊縫中塊狀鐵素體，有利于針狀鐵素體形核[1]。通過控制夾雜物的種類，誘導形核、長大的夾雜物中心主要為 Mn、Ti、Si的氧化物[2]，有利于針狀鐵素體的形核，使焊縫金屬獲得良好的力學性能。

從化學成分、熔敷金屬組織、夾雜物等幾個方面綜合控制，使焊條獲得良好的力學性能。在595℃～625℃保溫1 h、16 h、40 h時間下抗拉強度均滿足技術條件要求，隨著保溫時間的延長，微觀組織時效程度增大，碳化物彌散析出增多并逐步粗化，導致強度逐步下降，但1 h和40 h條件下強度與上下限值均有一定的余量，保持較好的工程適用性，與已發布的壓水堆核電廠用焊接材料第1部分：1、2、3級設備用碳鋼焊條標準中要求的強度區間470～630 MPa相比，三種熱處理恒溫時間下的強度均能滿足要求，且Rm×A最小值為11704，超過標準要求的10500。抗拉強度和屈服強度曲線基本平行（見圖5），表明三種熱處理保溫時間下熔敷金屬的屈強比無顯著變化。

圖5 強度隨熱處理時間的變化趨勢

從熔敷金屬組織和沖擊斷口掃描可以看出，研制的核電碳鋼焊條具有良好的沖擊韌性。沖擊試驗結果顯示，相比較技術要求，三種熱處理保溫時間、兩種試驗溫度下，沖擊吸收功均有較大的裕量，表明韌性儲備良好（見圖6）。由圖6可知，熔敷金屬在0℃下的單組沖擊功的3個單值比較接近，表明該溫度下的沖擊韌性比較均勻，當試驗溫度降到-30℃時，單組沖擊韌性波動范圍明顯增大，從0℃到-30℃沖擊功均值在三種熱處理狀態分別下降約50 J，降幅分別為32%、28%、24%，呈現降幅減小的趨勢。從熔敷金屬金相組織可以看出，隨著熱處理保溫時間的延長，碳化物析出并粗化，基體組織被軟化，使得沖擊韌性提高。斷口掃描顯示隨著熱處理保溫時間延長，韌窩的尺寸逐漸減小，尤其是在40 h熱處理狀態更加明顯，與沖擊韌性實驗結果存在對應關系。

圖6 韌性隨熱處理時間的變化趨勢

4 結論

（1）焊條CHE507HR2熔敷金屬化學成分滿足技術指標要求，雜質元素含量低，熔敷金屬純凈度高。

（2）通過對焊條合金元素和夾雜物類型的控制，獲得了以針狀鐵素體為主的理想焊縫組織。

（3）碳鋼焊條熔敷金屬力學性能滿足3種不同熱處理恒溫時間狀態下的設計技術指標要求，性能數據有較高的余量，低溫韌性儲備較高。

（4）隨著熱處理時間的延長，微觀結構碳化物彌散析出并粗化，熔敷金屬抗拉強度與屈服強度同步減小，但屈強比變化不明顯，沖擊韌性提高，上平臺溫度、TNDT溫度無顯著變化。

[1]余圣甫，李志遠，石仲堃，等.低合金高強度鋼藥芯焊絲焊縫中夾雜物誘導針狀鐵素體形核的作用[J].機械工程學報，2001，37（7）：65-69.

[2]張文鉞.焊接冶金學[M].北京：機械工業出版社，1995：25-30.