反應堆壓力容器用低合金鋼回火焊道工藝試驗研究

金亮 匡艷軍 黃騰飛 孫廣 邱振生

摘要：為解決核電廠關鍵設備在役期間焊接返修后無法實施傳統焊后熱處理的難題，采用機械-鎢極惰性氣體保護焊分別在室溫和150 ℃預熱條件下對反應堆壓力容器用低合金鋼進行回火焊道焊接工藝試驗，然后測試焊接熱影響區的顯微硬度、顯微組織及沖擊韌性。試驗結果表明：通過合理控制前三層的焊接熱輸入，可有效降低焊接熱影響區的硬度，并獲得綜合性能較好的回火索氏體組織，室溫條件下的回火焊道焊接熱影響區在0 ℃和-20 ℃的沖擊吸收能量均高于設計要求值。

關鍵詞：反應堆壓力容器;回火焊道;熱影響區;微觀組織

0 前言

核電站反應堆壓力容器用低合金鋼在焊接熱循環作用下，其焊接熱影響區的組織和性能會出現劣化現象，例如硬度增加、韌性下降等。通常設計規范要求對該類具有淬硬傾向的低合金鋼應進行焊后熱處理來消除上述現象。

核電站設備在服役期間，隨著時間的增加會出現需要焊接返修的缺陷。然而，一些客觀條件限制了焊后熱處理的應用[1-2]：（1）由于設備尺寸和結構復雜性或機械載荷作用，焊后熱處理會帶來不可預知的變形風險;（2）焊后熱處理會導致材料性能的劣化，如低合金鋼-不銹鋼異種金屬焊接接頭，由于焊后熱處理的作用，在低合金鋼側會形成貧碳層，在不銹鋼側會析出碳化物，造成焊接接頭性能脆化[3-6];（3）現場熱處理條件的限制及時間和成本等原因。因此，為了保證焊接修復區域獲得滿足設計要求的組織和性能，許多人通過研究無需焊后熱處理的回火焊道技術來獲得滿足設計要求的焊接接頭[7-9]?；鼗鸷傅兰夹g[10]是一種通過控制焊接熱輸入及焊道尺寸等關鍵因素，在焊道表面指定位置熔敷焊道，借助后一焊道/層的焊接熱對前一焊道/層產生的粗晶區進行回火來改善焊縫及熱影響區組織和性能，使得焊接接頭的修復質量滿足設計要求，從而達到替代焊后熱處理的目的。這些研究主要是基于預熱和后熱處理（焊后消氫）條件下進行的回火焊道工藝研究。然而，有時返修現場并不具備焊前預熱和后熱處理的條件。

采用一種自主研制的新型低合金鋼焊絲開展了不同熱輸入條件下的回火焊道工藝試驗研究，即通過設計不同層之間的焊接熱輸入，使得第二、三層焊道對首層焊道及焊接熱影響區起到“回火”效應。通過研究對比室溫及150 ℃預熱下回火焊道工藝所獲得的焊接接頭組織和性能，論證室溫預熱下回火焊道修復技術的可行性，為反應堆壓力容器免熱處理的焊接修復提供數據支撐。

1 試驗材料和方法

試驗用母材為反應堆壓力容器用SA508-Gr.3Cl.1鋼（調質態鍛件），焊絲是一種自主研制的新型低合金焊絲，規格為φ1.0 mm。試驗用母材和焊絲化學成分如表1所示。

焊接方法為機械-鎢極惰性氣體保護焊，試驗采用不同的焊接工藝參數分別在3塊試板（400 mm×200 mm×40 mm）上進行焊接試驗，焊接形式如圖1所示，焊接參數如表2所示。每塊試板上每層焊接熱輸入的設置、焊前預熱、道間溫度及后熱處理要求如表3所示。

在TC1和TC2試板上，第一層焊接15道，第二層焊接13道，第三層焊接12道。焊接完成后，采用顯微硬度計測試焊接接頭硬度，觀察顯微組織。在TC3試板上，前三層焊道排布與TC1和TC2相同，第四層焊接10道，焊接完成后，分別在0 ℃、-20 ℃下進行沖擊韌性試驗。

2 試驗結果及分析

2.1 顯微硬度

在焊接熱影響區上（測試位置見圖2），采用維氏硬度計（HV0.1）沿線1方向每間隔0.5 mm測試一個硬度值，共測試5個硬度值，取其平均值作為圖3、圖4中的有效數據點。然后，從線1向熱影響區方向下移0.25 mm開始進行第二個有效數據點的測試（即在圖2中沿線2方向每間隔0.5 mm測試一個硬度值，共測試5個硬度值并取平均值），依次類推，共得到10個有效數據點。

TC1在室溫預熱下熱影響區硬度分布曲線如圖3所示，第一層焊接后由于焊接熱的作用在熱影響區形成硬度較高的粗晶組織，最大約為330 HV。在焊接第二層后，熱影響區的硬度有下降趨勢，但不明顯，這是由于第一層焊接熱輸入率較小，形成的熱影響區尺寸較小，在第二層較大的焊接熱輸入率作用下，第二層細晶區對熱影響區粗晶區覆蓋后的回火作用，同時第二層也帶來了部分粗晶區，因此熱影響區中仍有部分硬度較高。在第三層焊接后，熱影響區的硬度下降趨勢非常明顯，整體硬度值低于240 HV，這是由于第三層的焊接熱輸入率更大，第三層焊道對首層和第二層焊道產生的粗晶區起到很好的回火作用。

TC2在150 ℃預熱下熱影響區硬度分布曲線如圖4所示。由圖4可知，第一層焊接后的熱影響區最大硬度值低于室溫預熱條件下的熱影響區最大硬度，這是由于通過焊前預熱降低了熱影響區的冷卻速率，從而減少了熱影響區淬硬組織的形成。雖然圖3、圖4采用相同的焊接熱輸入率，但由于圖4中焊接前進行150 ℃預熱，使得其在第一層焊接后形成的熱影響區尺寸相比圖3更大，隨后在第二層焊接熱循環的作用下，第二層細晶區可以很好地實現對熱影響區粗晶區完全覆蓋，使得熱影響區硬度下降明顯。但在第三層焊接后，由于其熱影響區尺寸較大，第三層焊接熱循環對熱影響區的回火效果不明顯，由圖4的硬度分布結果可以看出，第三層焊接后熱影響區的硬度相對比第二層焊接后，幾乎沒有變化。圖3、圖4的熱影響區顯微硬度測試結果表明：在相同的回火焊道工藝參數下，無論焊前是否實施預熱，焊接接頭均可以達到回火效果，降低熱影響區的硬度。

2.2 顯微組織

不同預熱條件下回火焊道接頭在不同層焊接后的熱影響區顯微金相組織如圖5～圖7所示。圖5為第一層焊接后熱影響區顯微組織，主要為板條狀馬氏體組織。由圖5a可知，因焊前不預熱，其焊接熱影響區冷卻速率大，形成了較多的馬氏體組織。焊接前進行了150 ℃的預熱（見圖5b），其熱影響區在高溫區停留時間較長，冷卻速率較小，形成較少馬氏體組織。第二層焊接后熱影響區的顯微組織如圖6所示，部分晶粒被第二層焊接熱回火（見圖6a），晶粒之間具有明顯的晶界，微觀組織被細化，但仍具有馬氏體組織特征;焊前進行了150 ℃的預熱（見圖6b），其熱影響區在第二層焊接熱作用下能夠很好地被回火，形成回火索氏體組織。

在第三層焊接完成后形成的熱影響區組織如圖7所示，在第三層焊接熱的回火作用下，原馬氏體均被分解形成回火索氏體組織。在第三層回火作用下熱影響區組織變化不明顯，可能原因是其在150 ℃預熱下形成的熱影響區尺寸較大，第三層焊接熱循環難以對其焊接熱影響區起回火作用。對比圖7a、圖7b可知：在相同的回火焊道工藝參數下，無論焊前是否實施預熱，在回火焊道焊接第三層后，熱影響區組織均可以轉變為回火索氏體組織。兩種回火焊道工藝得到的熱影響區組織區別不明顯。150 ℃預熱下的回火焊道工藝，其焊接熱影響區的回火組織更加均勻。因此，文中對室溫預熱下的回火焊道工藝的焊接熱影響區進行沖擊韌性試驗，確認其熱影響區的沖擊韌性能否滿足設計要求。

2.3 沖擊韌性

為進一步驗證在室溫預熱條件下回火焊道焊接熱影響區的韌性，選擇在TC3試板上截取沖擊試樣進行熱影響區沖擊試驗。沖擊試樣每3個一組，每組沖擊試樣的缺口軸線距離名義熔合線分別為1 mm和4 mm。0 ℃和-20 ℃下的熱影響區不同區域沖擊吸收能量的柱狀圖如圖8、圖9所示，可以看出：室溫條件下的回火焊道工藝可以獲得沖擊韌性良好的焊接接頭，焊接熱影響區沖擊吸收能量均高于設計要求值。

3 結論

通過對反應堆壓力容器用低合金鋼進行免焊后熱處理的回火焊道工藝試驗研究，得到如下結論：

（1）采用機械-鎢極惰性氣體保護焊方法，通過合理控制前三層焊接熱輸入，將形成回火焊道效應，可有效降低焊接熱影響區的硬度，獲得綜合性能較好的回火索氏體組織，達到免除焊后熱處理的目的。

（2）與150 ℃預熱下的同參數回火焊道工藝相比，在室溫下的回火焊道工藝同樣可獲得組織和性能較好的焊接接頭，且焊接熱影響區在0 ℃和-20 ℃的沖擊吸收能均高于設計要求。

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