焊接熱輸入對(duì)核電用低合金鋼焊條熔敷金屬力學(xué)性能的影響

黃義芳+陳維富+蔣勇+朱平+趙建倉(cāng)+郭曉凱+黃騰飛+邱振生

蘇州 215004；3.中廣核工程有限公司，廣東 深圳 518124）

摘要： 針對(duì)核電用低合金鋼焊條CHE608HR2，采用改變焊接熱輸入的方法，借助金相顯微鏡，研究了焊接熱輸入對(duì)其熔敷金屬力學(xué)性能及組織的影響。結(jié)果表明，熔敷金屬力學(xué)性能隨著焊接熱輸入量增大而降低，焊接熱輸入大于32 kJ/cm時(shí)，熔敷金屬力學(xué)性能下降明顯；焊接熱輸入小于等于25 kJ/cm時(shí)，熔敷金屬力學(xué)性能最優(yōu)。

關(guān)鍵詞： 熔敷金屬； 焊接熱輸入； 力學(xué)性能

中圖分類(lèi)號(hào)： TG422

Abstract：The influence of welding heat input on the mechanical properties and microstructure of the alloy was studied by means of metallographic microscope， the CHE608HR2 of low alloy steel for nuclear power and the method of changing the heat input. The results show that the mechanical properties of the weld metal are decreased with the increase of the welding heat input， and the mechanical properties of the welded metal are decreased obviously， while the welding heat input is less than or equal to 25 kJ/cm， and the mechanical properties of the weld metal is the best.

Key words：weld metal； heat input； mechanical properties

0 前言

近幾年國(guó)內(nèi)核電行業(yè)迅速發(fā)展，隨著國(guó)內(nèi)三代核電機(jī)組的陸續(xù)開(kāi)工，對(duì)三代核電機(jī)組用焊接材料的需求也與日俱增，低合金鋼焊條作為三代核電機(jī)組用焊接材料的重要組成部分[1-4]，為了更好的應(yīng)用于核電工程，文章的試驗(yàn)焊條為國(guó)家能源局“核級(jí)焊接材料國(guó)產(chǎn)化開(kāi)發(fā)及應(yīng)用研究”項(xiàng)目中的低合金鋼焊條，牌號(hào)為CHE608HR2（型號(hào)為E9018-G），文章通過(guò)對(duì)焊條CHE608HR2改變焊接熱輸入的方式，研究對(duì)其熔敷金屬的力學(xué)性能的影響，對(duì)工程應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)意義。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料 試驗(yàn)焊條CHE608HR2熔敷金屬的化學(xué)成分見(jiàn)表1。

“核級(jí)焊接材料國(guó)產(chǎn)化開(kāi)發(fā)及應(yīng)用研究”項(xiàng)目技術(shù)條件對(duì)試驗(yàn)焊條CHE608HR2熔敷金屬常溫力學(xué)性能的要求見(jiàn)表2。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

直讀光譜儀：德國(guó)斯派克 SPECTROLAB M10；

微機(jī)控制電子拉力材料試驗(yàn)機(jī)：深圳瑞格爾 RGM4100；

擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)：美特斯 ZBC 3302C；

箱式電阻爐：天津泰斯特 SX410；

紅外測(cè)溫儀：上海世祿儀器 66/68；

焊機(jī)：時(shí)代逆變 ZX7400。

1.3 試驗(yàn)方法

采用Q345板厚20 mm，試板尺寸為300 mm×300 mm。焊接前采用CHE608HR2堆邊，堆邊厚度大于3 mm。試驗(yàn)焊條牌號(hào)CHE608HR2，規(guī)格：4.0 mm。試驗(yàn)焊條進(jìn)行380 ℃烘焙1 h，立向焊接。試板組對(duì)要求如圖1所示， 試驗(yàn)方案見(jiàn)表3。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析與討論

2.1 不同熱輸入量對(duì)焊縫熔敷金屬力學(xué)性能的影響

焊條熔敷金屬力學(xué)性能分別按GB/T 2650—2008《焊接接頭沖擊試驗(yàn)方法》， GB/T 229—2007《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》， GB/T 2652—2008《焊縫及熔敷金屬拉伸試驗(yàn)方法》試驗(yàn)，其結(jié)果見(jiàn)表4和如圖2所示。

重點(diǎn)對(duì)熔敷金屬的抗拉強(qiáng)度和沖擊吸收能量進(jìn)行了分析，得到了如下的結(jié)果如圖2所示。

從表4可以看出，隨著焊接速度從15 cm/min減小到6.4 cm/min，熱輸入從15 kJ/cm增加到35 kJ/cm，在所選用的試驗(yàn)方案范圍內(nèi)，熔敷金屬拉伸強(qiáng)度和-30 ℃沖擊韌性隨著熱輸入量的增加呈下降趨勢(shì)；當(dāng)焊接熱輸入為35 kJ/cm時(shí)，熔敷金屬拉伸強(qiáng)度和-30 ℃低溫沖擊韌性值下降幅度較大。當(dāng)焊接熱輸入小于等于30 kJ/cm時(shí)，熔敷金屬可以獲得良好的拉伸強(qiáng)度和-30 ℃沖擊韌性值。在焊接熱輸入為35 kJ/cm時(shí)，仍可滿足“核級(jí)焊接材料國(guó)產(chǎn)化開(kāi)發(fā)及應(yīng)用研究”項(xiàng)目技術(shù)條件的要求。

2.2 不同熱輸入量對(duì)金相組織的影響

焊接條件和表2相同，分別從對(duì)應(yīng)的試板上取一個(gè)金相試樣進(jìn)行金相分析。在放大倍數(shù)分別為100×和500×的條件下得到以下試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

從圖3中可以看出，100倍顯微鏡下的柱狀晶組織，隨著焊接熱輸入的逐漸增大，熔敷金屬組織中先共析鐵素體數(shù)量增多，當(dāng)熱輸入量超過(guò)30 kJ/cm時(shí)，先共析鐵素體明顯增多，并呈帶狀分布在組織中。500倍顯微鏡下組織可以看出，熱輸入為15 kJ/cm時(shí)，熔敷金屬組織為針狀鐵素體加粒狀貝氏體，晶粒最為細(xì)小，分布較均勻；熱輸入大于20 kJ/cm時(shí)，出現(xiàn)極少量塊狀先共析鐵素體，隨著焊接熱輸入的增加，先共析鐵素體量呈遞增趨勢(shì)。先共析鐵素體含量對(duì)熔敷金屬韌性影響明顯，需合理控制焊接熱輸入，降低熔敷金屬中先共析鐵素體含量，得到較好的綜合熔敷金屬力學(xué)性能。

2.3 核電工程中焊接熱輸入的控制討論

焊接是核電工程最關(guān)鍵的施工工藝之一，核電工程焊接質(zhì)量涉及核電工程運(yùn)行的安全性，核電工程事故甚至?xí)斐蔀?zāi)難性后果，給國(guó)家和人民的生命財(cái)產(chǎn)造成重大損失。核電工程建造施工焊接工作量大，人工成本高。一方面建造單位控制成本，縮短工程周期，需要提高焊接效率；另一方面焊工實(shí)行計(jì)件工資，焊接普遍采用大熱輸入焊接，以提高單位時(shí)間的熔敷金屬量。但熱輸入過(guò)大，容易造成接頭和熱影響區(qū)組織過(guò)熱，產(chǎn)生過(guò)熱組織，而使其脆化，降低焊縫和熱影響區(qū)的硬度和韌性。所以，核電工程中焊接熱輸入的控制成為核電制造單位的關(guān)鍵質(zhì)量控制之一。

3 結(jié)論

（1）核電用低合金鋼焊條CHE608HR2在焊接熱輸入小于等于30 kJ/cm時(shí)，熔敷金屬可以獲得良好的拉伸強(qiáng)度和-30 ℃沖擊韌性值。在焊接熱輸入為35 kJ/cm時(shí)，仍可滿足“核級(jí)焊接材料國(guó)產(chǎn)化開(kāi)發(fā)及應(yīng)用研究”項(xiàng)目技術(shù)條件的要求。

（2）金相檢測(cè)結(jié)果表明：核電用低合金鋼焊條CHE608HR2熔敷金屬組織表現(xiàn)為具有針狀鐵素體加粒狀貝氏體加少量塊狀先共析鐵素體，隨著焊接熱輸入的增加，先共析鐵素體量呈遞增趨勢(shì)。

（3）四川大西洋焊接材料股份有限公司研制的核電用低合金鋼焊條CHE608HR2適用于較大線能焊接，在焊接熱輸入小于等于30 kJ/cm時(shí)， 熔敷金屬力學(xué)性能較穩(wěn)定，在應(yīng)用于相應(yīng)的核電工程時(shí)，具有較強(qiáng)的適應(yīng)性。

參考文獻(xiàn)

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