國產核I級ER308L焊絲性能研究

許祥平，楊家旺，鄒家生

(江蘇科技大學先進焊接技術省級重點實驗室，江蘇鎮江212003)

核電作為一種清潔、技術成熟且可持續發展的能源日益得到廣泛應用［1-3］.我國核電建造中，目前僅能夠自主生產非核級焊材和部分核級焊材，而生產的核級焊材也是作為進口焊材的補缺產品，不具備成套供應的能力，尤其是使用的核I級焊材全部依靠進口.進口的核I級焊材采購周期長，價格昂貴，且存在因政治原因被封鎖的風險，不利于我國核電事業發展.因此，積極開展核I級焊材的國產化研究是我國核電事業安全、穩定發展的重要保障［4-5］.

文中采用上海大西洋焊材有限公司研發的國產核I級ER308L焊絲，根據法國RCC-M標準(法國《壓水堆核島機械設備設計和建造規則》的簡稱，我國部分核電站的設計和建造主要遵循這個標準)測試了焊絲的熔敷金屬成分和力學性能;對采用核I級ER308L焊絲焊接00Cr18Ni9不銹鋼的焊接工藝參數進行優化;并與采用國外核I級ER308L焊絲、國內普通ER308L焊絲的焊接接頭進行對比分析.研究結果為核I級ER308L氬弧焊絲的國產化應用提供試驗依據.

1 試驗材料及方法

試驗焊材采用上海大西洋焊材有限公司生產的φ2mm國產核I級ER308L焊絲，對比焊材為國外核I級ER308L焊絲(瑞典ESAB公司產品)和國內普通ER308L焊絲，試驗母材采用00Cr18Ni9奧氏體不銹鋼.00Cr18Ni9不銹鋼及國產核I級ER308L焊絲的化學成分測試值及RCC-M標準規定的焊絲化學成分見表1.

1.1 熔敷金屬試驗

根據RCC-M標準的規定需對研制的國產核I級ER308L氬弧焊絲進行熔敷金屬試驗，熔敷金屬試驗各項參數如表2.

熔敷試驗后對熔敷金屬進行室溫拉伸試驗、室溫KV沖擊試驗和熔敷金屬化學成分分析.

表1 國產核I級ER308L焊絲及00Cr18Ni9不銹鋼化學成分Table 1 Chemical compositions of the domestic nuclear grade I ER308L and 00Cr18Ni9 stainless steel

表2 熔敷金屬試驗參數Table 2 Test parameters of deposited metal

1.2 焊接工藝優化試驗

制定3種不同的焊接工藝參數，采用國產核Ⅰ級ER308L焊絲對00Cr18Ni9不銹鋼進行焊接試驗，焊接工藝參數見表3.

表3 焊接工藝優化參數Table 3 Welding parameters

焊前母材需開60°單面V形坡口，鈍邊2 mm，坡口及其內外壁兩側各20 mm范圍內打磨出金屬光澤，丙酮清洗并干燥，點焊裝配，裝配間隙為2 mm.焊絲需用丙酮擦洗并干燥.焊接正面和背面保護氣體為氬氣，氬氣流量為15 L/min，純度≥99.99%;焊接方法為手工鎢極惰性氣體保護焊，多層多道焊，層間溫度≤150℃.

焊后對試板進行超聲波探傷，未發現缺陷.根據RCC-M標準制備拉伸、沖擊和金相試樣，測試常溫拉伸性能和沖擊性能.

1.3 國內外焊絲性能對比試驗

試驗母材采用00Cr18Ni9奧氏體不銹鋼，其化學成分見表1，焊接工藝試板尺寸規格為400mm×150 mm×12 mm.試驗焊材采用國產核I級ER308L焊絲(φ2 mm，化學成分見表 1)、國外核 I級ER308L焊絲(φ1.5 mm)、國內普通 ER308L 焊絲(φ2 mm)，焊接參數采用經優化的焊接工藝參數.

焊后對試板進行超聲波探傷，未發現缺陷.根據RCC-M標準，測試常溫拉伸性能、沖擊性能，分析接頭成分.

2 試驗結果及分析

2.1 熔敷金屬試驗

熔敷金屬的力學性能如表4，國產核Ⅰ級ER308L氬弧焊絲的熔敷金屬抗拉強度Rm、屈服強度Rp0.2、斷后伸長率A和沖擊功均滿足 RCC-M標準要求，且其抗拉強度高于規定下限值147 MPa，屈服強度高于規定下限值125 MPa，斷后伸長率高于規定值20.5%，沖擊功高于規定值30J.

這表明國產核Ⅰ級ER308L氬弧焊絲熔敷金屬的強度、塑性和沖擊韌性均較好.

表4 國產核Ⅰ級ER308L氬弧焊絲熔敷金屬的力學性能Table 4 Mechanical properties of deposited metal

2.2 焊接工藝對接頭性能的影響

2.2.1 拉伸性能

焊接電流不同時，國產核Ⅰ級ER308L氬弧焊絲接頭的拉伸性能如表5.

由表5可知在100，120，140 A 3種電流焊接接頭的抗拉強度Rm、屈服強度Rp0.2和斷后伸長率A均符合R-CCM標準規定.在3種焊接電流參數下，焊接電流為120 A時，接頭抗拉強度Rm最高為636 MPa，屈服強度Rp0.2最低為 327 MPa，斷后伸長率最高為50%，屈強比最小為0.51，屈強比低表示材料的塑性較好.因此，焊接電流為120A時，焊接接頭的抗拉強度和塑性最佳.

表5 不同焊接電流下國產核Ⅰ級ER308L氬弧焊絲接頭拉伸性能Table 5 Tensile properties of the welding joint in different welding current

3種焊接接頭選用的母材和焊材均一致，因此焊接電流成為影響焊接接頭拉伸性能的主要因素.不同焊接電流時焊縫中心及熔合線附近的微觀組織如圖 1，2.

圖1 不同焊接電流時焊縫中心微觀組織Fig.1 Weld center microstructure of different welding current

圖2 不同焊接電流時熔合線附近的微觀組織Fig.2 Microstructure near the fusion line of different welding current

在100，120 A時，隨著焊接熱輸入增大，焊縫內部冶金反應更加充分，焊接接頭中析出適量δ鐵素體，從而得到優良焊接接頭，焊接接頭的拉伸性能上升;當焊接電流升高到140A，此時熱輸入量過大，焊縫在高溫下停留時間過長，而熔池的冷卻速度過慢，導致焊縫內形成更加粗大的枝晶，焊縫內的有益合金元素燒損過多，且此時焊接接頭析出過量的δ鐵素體，從而使接頭的拉伸性能下降.

2.2.2 沖擊性能

焊接電流不同時，采用國產核Ⅰ級ER308L氬弧焊絲焊接接頭不同部位的沖擊功如表6.

表6 不同焊接電流下接頭的沖擊功Table 6 Impact energy of the welding joint for different welding currents

由表6可以看出，3種不同電流下的焊接接頭的沖擊功均滿足RCC-M標準中ER308L焊絲焊接接頭的室溫沖擊功≥60J的要求，且焊縫中心的沖擊功均低于熔合線和熔合線+2 mm處的沖擊功，這是因為焊縫中心組織受焊接熱輸入的影響以粗大的枝晶為主，而熔合線處的組織較焊縫中心的細小，且其組織受焊接熱輸入的影響和焊接變形較焊縫中心小;而熔合線+2 mm處為焊接熱影響區，其組織受焊接熱輸入的影響最小.同時，焊縫中心處受焊接熱輸入影響較大，焊縫中心高溫停留的時間長，此時越有利于δ鐵素體析出，而δ鐵素體會使焊縫的沖擊韌性下降.

隨著焊接電流的升高，焊縫中心、熔合線和熔合線+2mm處的沖擊功先升后降，當焊接電流由100 A升到120A時，焊縫中心、熔合線和熔合線+2 mm處的沖擊功隨著電流的增加而增加，因為隨著焊接熱輸入的增加，焊縫內的冶金反應更加充分，析出適量的δ鐵素體，更加容易獲得優良的焊縫;當焊接電流上升到140 A時，焊縫中心、熔合線和熔合線+2mm處的沖擊功略有下降，因為隨著焊接電流的繼續增大，此時的熱輸入過大，焊縫在高溫下停留時間過長，焊接冷卻速度過慢，導致焊縫內形成組織粗大的枝晶，且高溫停留時間長，使得焊縫內析出過量的δ鐵素體，使得接頭的韌性下降.

當焊接電流為120 A時，接頭的沖擊韌性為最佳.

2.3 國內外焊絲性能對比

2.3.1 拉伸性能對比

在焊接參數優化的基礎上，對采用國產核I級ER308L焊絲、國外核I級ER308L焊絲和國產普通ER308L焊絲焊接00Cr18Ni9奧氏體不銹鋼焊接接頭性能進行了對比試驗，3種不同焊絲接頭的拉伸性能見表7.

3種焊絲的焊接接頭抗拉強度Rm和屈服強度Rp0.2均符合 RCC-M 標準要求，其中國產核Ⅰ級ER308L氬弧焊絲焊接接頭的抗拉強度和屈服強度分別為636MPa和327MPa，均為最高，且其Rm值和Rp0.2值比國外核I級ER308L焊絲焊接接頭高出49 MPa和19MPa，比國內普通ER308L焊絲焊接的接頭高出38MPa和14MPa.在3種焊絲中，國產核I級氬弧焊絲焊接接頭的拉伸性能為最佳.

表7 3種焊絲焊接接頭拉伸強度Table 7 Tensile strengths of the welded joint with three welding wires

2.3.2 沖擊性能對比

3種焊絲焊接00Cr18Ni9奧氏體不銹鋼接頭的沖擊性能如表8.國產核I級ER308L氬弧焊絲接頭在焊縫中心、熔合線及熔合線+2 mm三處的沖擊功高于國外核I級焊絲;國產核I級ER308L氬弧焊絲接頭在熔合線和熔合線+2 mm處的沖擊功高于國內普通焊絲，但焊縫中心處沖擊功低于國內普通焊絲.即國產核I級ER308L氬弧焊絲焊接不銹鋼接頭沖擊功高于國外核I級焊絲，略低于國內普通焊絲.

在核電應用領域，國產核I級ER308L氬弧焊絲焊接不銹鋼接頭沖擊韌性優于國外核I級焊絲，而國內普通焊絲不能應用于該領域.

表8 3種焊絲焊接接頭沖擊值對比Table 8 Impact energy of the welded joint with three welding wires

2.4 成分分析

奧氏體中鐵素體對S、P、Si和Nb等元素溶解度較大，能防止這些元素的偏析和形成低熔點共晶，從而阻止熱裂紋產生.但鐵素體與奧氏體的電極電位不同，鐵素體數量超過某一限度后，會使點蝕傾向增大，造成奧氏體不銹鋼耐腐蝕性能降低，因此鐵素體含量不宜過高［6-8］.根據RCC-M標準的規定，采用ER308L奧氏體不銹鋼焊絲形成的焊縫鐵素體含量為8% ～12%為最佳.

3種不同焊絲的焊接接頭區化學成分如表9.經計算得出國產核I級ER308L氬弧焊絲焊接接頭鐵素體含量為9.8%;國外核I級ER308L焊絲焊接接頭鐵素體含量為7.8%;國內普通ER308L焊絲焊接接頭鐵素體含量為12.5%.只有國產核I級ER308L氬弧焊絲焊接接頭符合RCC-M中標準的8%～12%，國外核I級ER308L焊絲焊接接頭鐵素體含量接近RCC-M標準下限，而國內普通ER308L焊絲焊接接頭鐵素體含量高于RCC-M標準上限.

國產核I級ER308L氬弧焊絲所焊的焊接接頭的成分嚴格符合RCC-M標準的規定，其焊接接頭的抗熱裂性、抗晶間腐蝕性和耐腐蝕等性能均優于其他兩種焊絲，因此適合用于核電站中的核Ⅰ級設備的焊接中.

表9 焊接接頭化學成分Table 9 Chemical compositions of the welded joints

3 結論

1)國產核I級ER308L氬弧焊絲的熔敷金屬中的鐵素體含量適中，抗拉強度、屈服強度、斷后伸長率和沖擊功均符合RCC-M標準中的要求.

2)國產核Ⅰ級ER308L氬弧焊絲在焊接電流為120A時的焊接接頭拉伸性能、沖擊性能和接頭鐵素體含量均優于100A和140A焊接電流時的焊接接頭.

3)國產核I級ER308L氬弧焊絲焊接接頭的拉伸性能和焊接接頭鐵素體的含量均優于國外核I級ER308L焊絲和國內普通ER308L焊絲;焊接接頭在焊縫、熔合線及熔合線+2mm三處的沖擊值都比國外核I級焊絲的要高，但在焊縫中心處的沖擊韌性值低于國內普通焊絲，國產核I級ER308L氬弧焊絲焊接接頭的沖擊韌性不弱于其他兩種焊絲;焊接接頭的鐵素體含量為9.8%，優于其他兩種焊絲，國產核I級ER308L氬弧焊絲焊接接頭的耐腐蝕性和抗熱裂等性能為最優.

References)

［1］ 張興法.發展核電實現低碳中國經濟可持續發展［J］.中國核科學技術進展報告，2011(2):805-811.Zhang Xingfa.Developing nuclear power to realize lowcarbon and economic sustainable development of China［J］.Progress Report on China Nuclear Science and Technology，2011(2):805-811.(in Chinese)

［2］ 張國寶.核電中長期發展規劃［R］.北京:國家發展和改革委員會，2007.

［3］ 劉長欣.國內外核電發展狀況及相關問題［J］.中國電力，2003，36(9):27-29.Liu Changxin.Development status and related problems of nuclear power at home and abroad［J］.Electric Power，2003，36(9):27-29.(in Chinese)

［4］ 石建鑫，陳玲玲.關于我國電力工業可持續發展的能源結構分析［J］.科技情報開發與經濟，2011，21(28):148-168.Shi Jianxin，Chen Lingling.Analysis on energy structure for sustainable development of China′s electric power industry［J］.Sci-tech Information Development and Economy，2011，21(28):148-168.(in Chinese)

［5］ 王超峰.核島安裝焊材國產化可行性探討［J］.電焊機，2009，39(8):6-9.Wang Chaofeng.Research on techniques of the acceptability of welding material localization for nuclear island erection［J］.Electric Welding Machine，2009，39(8):6-9.(in Chinese)

［6］ 鄧峰.壓水堆冷卻劑管道的安裝焊接［J］.中國核科學技術進展報告，2009(1):112-119.Deng Feng.The installation welding of pressure water reactor coolant piping［J］.Progress Report on China Nuclear Science and Technology，2009(1):112-119.(in Chinese)

［7］ 王恒.核電站建造過程中奧氏體不銹鋼的焊接質量問題及對策［J］.電焊機，2011，41(10):83-87.Wang Heng.Welding quality and strategy of austenitic stainless steel during the construction of nuclear power plant［J］.Electric Welding Machine，2011，41(10):83-87.(in Chinese)

［8］ 焦殿輝.不銹鋼在核電中的應用［J］.中國金屬通報，2012(2):38-39.Jiao Dianhui.The stainless steel used in nuclear power［J］.China Metal Bulletin，2012(2):38-39.(in Chinese)