核電SA-508 Gr.3 Cl.2鋼用埋弧焊燒結焊劑的研制

■ 彭祺珉，楊飛，蔣勇，李亞軍，余燕

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1. 概述

焊接是核電設備制造和安裝中大量應用、不可缺少的關鍵工藝，穩定可靠的焊接材料是獲得高質量核電設備的必備條件。我國已建成或在建的核電站中，核島主設備制造所用到的焊接材料，幾乎全部依賴進口，即便如此，進口焊材也難以滿足CAP1400示范工程和CAP1000項目核電站的技術要求。

根據第三代核電核島主設備用焊接材料技術要求，四川大西洋焊接材料股份有限公司與上海核工程研究設計院合作，共同開展研發了SA—508 Gr.3 Cl.2鋼用低合金鋼埋弧焊接材料的研制。試驗結果表明，研制的燒結焊劑CHF113HRF 配合CHW—SEM2HRF焊絲焊接工藝性能優良，在焊態和焊后熱處理條件下，焊縫金屬理化性能優良，完全滿足核電工程SA—508 Gr.3 Cl.2鋼用焊接材料的技術要求，實現核電工程SA—508 Gr.3 Cl.2鋼用埋弧焊材的國產化。

2. 燒結焊劑CHF113HRF的研制

（1）焊劑渣系和堿度設計 核島主設備SA—508 Gr.3 Cl.2鋼的焊接，需嚴格控制熔敷金屬中的的雜質元素，尤其是S、P的含量。選用氟堿型CaF2-MgO-Al2O3-CaO-SiO2渣系，使其能有效除去磷和硫，提高焊縫的純凈度，控制氧化物夾渣；且能降低熔敷金屬的氧化性，減少合金元素的燒損，提高合金元素的過渡。同時，選用含S、P比較低的焊絲CHW-SEM2HRF，可將雜質元素控制在較低的水平，為熔敷金屬力學性能提供了保障。按照國際焊接學會推薦的BIIW公式計算，其堿度為2.8。

（2）合金體系的設計及作用 根據焊縫的使用性能要求，考慮焊絲CHW—SEM2HRF、母材和合金元素的相互作用，確定合金體系為Mn-Si-Ni-Mo，確保熔敷金屬具有良好的力學性能。

第一，Si是重要的脫氧劑同時也是焊縫金屬重要的合金劑，硅可以降低焊縫金屬的含氧量，提高焊縫金屬的沖擊韌性，但太高時則相反。試驗表明，焊縫中Si含量應控制在0.20%～0.30%之間。

第二，Mn具有良好的脫硫、脫氧的作用，還可以向焊縫過渡錳元素，細化焊縫針狀鐵素體和粗晶區、細晶區的顯微組織，在提高焊縫金屬強度的同時改善韌性。試驗表明，焊縫中Mn含量應控制在1.50%～1.80%之間。

第三，Ni可提高鐵素體基體的韌性和促進針狀鐵素體形成，改善抗冷裂性能和提高低溫沖擊沖擊韌性。試驗表明，焊縫中Ni含量應控制在1.7%～2.0%之間。

第四，Mo能顯著提高焊縫金屬的強度，有細化晶粒的作用，適當的鉬鐵加入量可提高焊縫的強度、硬度及熱穩定性；但過高則會影響焊縫金屬韌性。試驗表明，焊縫中Mo含量應控制在0.35 %～0.60 %之間。

（3）焊劑配方確定 CaF2是影響熔渣流動性，降低熔敷金屬的含氧量，提高抗氣孔能力的有效成分。在合適范圍具有降低熔渣高溫粘度，改善熔渣流動性，并提高導電性，改善焊縫成形；當含量過高時，電弧不穩定，熔渣粘度過低，熔池流動激烈，焊道外觀不整齊。

A12O3是造渣劑，是調整熔渣粘度、熔點維持良好焊道形狀的有效成分。焊劑中加入量增大時，焊道魚鱗紋越細，焊道較光亮平滑。當加入量過高，會使熔渣粘度增大，流動性變差，易造成咬邊和焊縫金屬夾渣等缺陷。

MgO是的造渣劑，它能增加熔渣的透氣性，抑制表面氧化，降低酸性渣的粘度，同時降低擴散氫的含量 ，并具有增大熔渣表面張力的作用。當加入量過高，焊縫表面出現板條狀的黑色條紋，成形不美觀。

CaO是堿性氧化物，在焊劑中起造渣和提高焊劑堿度作用。與S、P的結合能力較強，可以降低焊縫金屬中的S、P含量，它能有效提高焊劑抗大電流能力，改善焊縫力學性能。

SiO2能調整熔渣的凝固點、表面張力及粘度，對焊道外觀和形狀的有重要的作用。當加入量過高，則會造成焊縫波紋粗大，中間結晶線紋明顯。

經過大量焊劑配方調試，確定了具有良好工藝性能和冶金性能的焊劑配方，如表1所示。

3. 試驗材料及方法

（1）試驗材料 母材為SA—508 Gr.3 Cl.2鋼，板厚為30mm，其試板尺寸如圖1所示；焊絲為CHW—SEM2HRF，?4.0mm。母材和焊絲化學成分如表2所示。

（2）試驗方法 CHF113HRF配合焊絲CHW-SEM2HRF在圖1所示的試板上進行埋弧焊接，焊接設備為ZD5—1000型埋弧焊機。焊接參數：焊接電流570～600A，電弧電壓30～32V，焊接速度40～45cm/min，道間溫度240～250℃。焊后熱處理工藝：從室溫升溫到425℃，然后以≤55℃/h升溫，升到595～620℃后保溫40h，最后以≤55℃/h冷卻到425℃后取出空冷至室溫。

4. 試驗結果與分析

圖1 焊接試板示意

圖2 焊接工藝圖片

表1 焊劑CHF113HRF配方（質量分數） （%）

表3 熔敷金屬化學成分（質量分數） （%）

（1）焊接工藝性能 通過對熔渣熔點、表面張力和粘度的調整，獲得了焊接工藝性能良好的焊劑配方。焊接過程中電弧燃燒穩定，脫渣良好，焊縫紋理細，焊縫邊緣規整且與母材過渡平滑，焊縫表面無粘渣、氣孔和壓坑等缺陷，如圖2所示。

（2）熔敷金屬化學成分 在力學拉伸試樣加工的過程中進行熔敷金屬化學成分取樣，熔敷金屬化學成分如表3所示。從表3可以看出，熔敷金屬化學成分符合AWS 5.23 F9P4-EM2-M2規定的要求。

（3）熔敷金屬拉伸性能試驗 熔敷金屬全焊縫拉伸試樣的加工按照標準AWS B4.0M的規定進行，室溫和360℃高溫拉伸試驗分別按AWS B4.0M和ASTM E21標準執行。熔敷金屬拉伸試驗結果如表4所示，從表4可以看出，拉伸性能能滿足設計技術要求，經焊后熱處理后抗拉強度略有降低。

（4）熔敷金屬沖擊韌性試驗 熔敷金屬沖擊韌性試驗試樣的加工按照標準ASTM A370的規定進行，沖擊試驗按AWS B4.0M標準執行，試驗結果如表5所示。從表5可以看出，熔敷金屬沖擊試驗滿足設計技術要求，經焊后熱處理后略有降低，但仍有很大的富余量。圖3為-25℃熔敷金屬試樣沖擊斷口的掃描電鏡，從圖中可看到明顯的塑性變形而產生的韌窩，為韌性斷裂。而韌性斷裂可以保證焊縫金屬具有良好的低溫沖擊韌性，表5中的沖擊功數據正好印證了這一觀點。

（5）顯微組織 熔敷金屬顯微組織如圖4所示。圖4a組織為針狀鐵素體、粒狀貝氏體、較均勻尺寸稍大的塊狀鐵素體和未分解的M-A組元在形態上表現為彼此咬合，互相交錯分布，這有利于阻止裂紋的擴展，因此具有良好的拉伸性能和低溫沖擊韌性；圖4b組織為粒狀貝氏體、塊狀鐵素體、均布的碳化物，少量索氏體組織，碳化物均勻分布于鐵素體之間，有效晶粒尺寸較小，因此脆性裂紋不易擴展，沖擊韌性較好。

經過焊后熱處理，低溫沖擊韌性略有降低，是由于M-A分解成的碳化物在局部晶界處析出增多，在一定程度上聚集長大而粗化引起的。同時雜質原子在晶界位錯等缺陷位移的偏聚，導致材料晶界弱化，位錯開動激活能增加，從而使焊縫金屬的沖擊韌性下降。

圖3 沖擊斷口電鏡掃描

表4 熔敷金屬拉伸性能

表5 熔敷金屬沖擊性能

（6）脆性轉變曲線 為了驗證熔敷金屬脆性轉變溫度，對其熔敷金屬在不同溫度下做了沖擊韌性試驗，同一溫度取3組試樣，3組試樣取平均值，結果如圖5所示。從圖5可以看出，焊態TNDT=-80℃，焊后熱處理態TNDT=-65℃，滿足標準TNDT≤-25℃的要求。

（7）熔敷金屬擴散氫含量 依據AWS A4.3標準，熔敷金屬擴散氫含量如表6所示。從試驗結果來看，熔敷金屬擴散氫含量都＜4.0mL/100g，達到了設計要求值。

5. 第三方性能評估

新研制的埋弧焊低合金鋼焊接材料CHW-SEM2HRF/CHF113HRF在東方電氣（廣州）重型機械有限公司和上海電氣核電設備有限公司進行了第三方性能評估試驗 。工藝性能達到進口焊材的水平，具有良好的脫渣性，焊縫成形均勻，窄間隙焊接工藝適應性好；焊縫金屬化學成分和力學性能良好，滿足技術條件要求并有很大富余量，產品質量穩定，得到了用戶的好評。

6. 結語

（1）研制的焊劑CHF113HRF配合焊絲CHW—SEM2HRF焊接工藝性能良好，焊接過程中電弧燃燒穩定，脫渣良好，焊縫紋理細，焊縫邊緣規整且與母材過渡平滑，焊縫表面無粘渣、氣孔和壓坑等缺陷。

（2）研制的焊劑CHF113HRF配合焊絲CHW—SEM2HRF熔敷金屬具有優良力學性能，滿足設計要求。低溫沖擊韌性和脆性轉變TNDT都有很大富余量。

（3）研制的焊劑CHF113HRF配合焊絲CHW—SEM2HRF滿足核電工程用SA—508 Gr.3 Cl.2鋼的焊接。

[1] 陳伯蠡.焊接冶金原理[M]. 北京：清華大學出版社，1991.

[2] 蘇仲鳴.焊劑的性能與使用[M].北京：機械工業出版社，1989.

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[4] 薛永棟, 趙陽磊, 郭彪,等.模擬焊后熱處理對SA-508Gr.3 Cl.1鋼力學性能的影響[J]. 大型鑄鍛件, 2012（2）：9-11.