S271低合金鋼堆焊鎳基合金稀釋率影響因素研究

黃衛東 柏忠煉 葉義海 王建 羅緒珍 王飛 潘曉東 李紅軍

摘要：針對核電站用S271低合金鋼上堆焊690鎳基合金，研究焊接速度、送絲速度和焊接電流對單層單道焊稀釋率的影響。結果表明，焊縫稀釋率與其均有關。當焊接電流與焊接速度一定時，稀釋率隨送絲速度增大而降低;當焊接電流和送絲速度一定時，稀釋率隨焊接速度的增加而增加;當焊接速度和送絲速度一定時，稀釋率隨焊接電流的增大而增大。但是在熱輸入一定和焊接電流電壓保持不變的情況下，改變送絲速度與焊接速度幾乎不影響焊縫稀釋率。

關鍵詞：堆焊;稀釋率;低合金鋼;鎳基合金;焊接工藝

0 前言

核級S271低合金鋼是在18MnMoNb基礎上增加0.6%～0.9%的Ni制備而成，其基本成分與SA508-3鋼類似，主要作為壓水堆核電廠壓力容器用材料，如蒸汽發生器殼體、穩壓器底部下封頭[1-2]。S271低合金鋼長期處于高溫、高壓、輻照環境中以及一回路腐蝕介質中，極易在焊縫處發生腐蝕泄露[3]。根據國內外核電廠運維經驗，針對S271低合金鋼部件焊后熱處理困難的問題，主要通過回火堆焊的維修方式在原密封焊縫處堆焊一層耐蝕性更強的鎳基合金予以修復[4-5]。

采用室溫回火焊道焊接方法，參照美國ASME CodeCase卷的技術要求，考慮到焊縫的耐腐蝕性能，在低合金鋼堆焊鎳基合金時，若將第一層焊道作為設計層厚度，則堆焊首層Cr元素含量應至少大于24%，否則第一層不計入堆焊結構計算厚度。一方面核電廠的管道、容器密布，維修空間受限，堆焊層厚度受到嚴格控制;另一方面基于降低停堆維修時間，提高電站經濟效益，堆焊首層稀釋率是一個關鍵工藝控制指標。

文中旨在研究焊縫稀釋率的影響因素，以保證低合金鋼上堆焊鎳基合金關鍵元素滿足ASME標準要求，為核電廠焊接工藝的制定奠定基礎。

1 試驗材料和方法

1.1 試驗材料

試驗母材為核級S271低合金鋼，組織為調質態粒狀貝氏體，尺寸為φ110 mm×300 mm的棒材，化學成分如表1所示。焊材為φ1.0 mm的ERNiCrFe-7A鎳基合金焊絲，化學成分如表2所示。

1.2 試驗方法

在S271低合金鋼上堆焊鎳基合金，堆焊焊材為ERNiCrFe-7A鎳基焊絲，焊接方法為GTAW，焊接位置為6G。焊接試驗參數如表3所示，送絲速度變化設置為5組，從900 mm/min到1 300 mm/min依次遞增;焊接速度變化設置為6組，從90 mm/min到190 mm/min依次遞增;焊接電流變化設計為5組。分別研究送絲速度、焊接速度、焊接電流對單道焊稀釋率的影響規律。

1.3 分析方法

稀釋率δ是指焊縫截面積中母材熔入的面積與整個焊縫截面積的百分比，如圖1所示

試驗采用金相法分析計算稀釋率δ。

2 結果與討論

2.1 送絲速度的影響

不同送絲速度下測量的焊縫形貌參數如圖2所示，截面金相如圖3所示。由圖可知，當焊接速度和焊接電流不變時，送絲速度為900 mm/min，稀釋率為0.43;送絲速度為1 300 mm/min，稀釋率最小，為0.32。隨著送絲速度的增加，焊縫熔寬和熔深幾乎不變，焊縫余高緩慢增加，而熔敷區面積變化較大。這是因為焊接電參數不變時，僅增加送絲速度，在相同焊接熱輸入下母材區域熔化減少，減小了熔合區面積;而熔敷區面積隨送絲速度增加而增加，且增加幅度較大。因此，當焊接電流和焊接速度保持不變時，稀釋率隨送絲速度的增加而降低。

2.2 焊接速度的影響

不同焊接速度下的樣品截面金相如圖4所示，焊縫形貌參數尺寸如圖5所示。在焊接電流和送絲速度保持不變時，稀釋率隨焊速的增加而降低，焊縫余高、熔寬、熔深均隨焊速的增加而降低。分析原因：焊接電流不變時，焊速增加，單位長度上的熱輸入量降低，造成熔合區面積和熔敷區面積均減小，但是熔敷區面積減小幅度更為顯著，最終導致焊縫稀釋率的降低。

2.3 焊接電流的影響

保持焊接速度和送絲速度不變，焊接電流逐漸遞增后的樣品焊后截面形貌如圖6所示，焊縫形貌參數尺寸如圖7所示。由圖7可知，改變焊接電流對焊縫截面形貌影響較大，特別是熔寬。分析原因：當焊接電流較小時，熔池無法完全鋪展開，熔深較小，因此熔合區面積較小，稀釋率較小;焊接電流較大時，熔池完全鋪開，熔合區面積顯著增加，但是由于送絲速度和焊接速度不變，隨著焊接電流的不斷增大，熔合區面積隨之增大，而熔敷區面積幾乎不變，稀釋率反而呈增大趨勢。

2.4 熱輸入的影響

以上研究表明，送絲速度、焊接速度和焊接電流均影響單層單道焊縫的稀釋率。就S271低合金鋼而言，核電運維工程經驗表明，材料為S271低合金鋼的核級設備，其特種維修采用室溫回火堆焊工藝，免除核電廠在受限空間焊后的回火工序，參照ASME codecase，回火堆焊前三層熱輸入需嚴格控制，同時抗腐蝕性要求在控制熱輸入的同時控制稀釋率。因此，需要研究熱輸入與稀釋率之間的關系。對于半自動或自動GTAW，參照ASME標準QW-409.29熱輸入計算公式為：

稀釋率通過熔敷面積和熔合面積進行計算，金相法所測的實際熔敷面積S1可由理論熔覆面積S理代替。理論上熔敷面積只與填充金屬絲的送絲速度和焊接速度有關，計算公式為：

由式（4）可知，當焊接電壓、電流不變時，熔合區面積變化很小，因此熱輸入與稀釋率近似成正相關;根據表3中焊接參數獲得的熱輸入與稀釋率的關系如圖8所示，與理論分析結果較好符合。值得注意的是，當熱輸入不變且電壓與焊接電流恒定時，由圖3、圖5可知，熔合區面積S2幾乎不變，此時焊接速度和送絲速度對稀釋率幾乎沒有影響。因此在熱輸入不變的情況下，為使稀釋率保持不變，可通過改變送絲速度和焊接速度調整回火焊接工藝。

3 結論

在核級S271低合金鋼上堆焊鎳基合金，通過改變焊接參數研究單層單道焊稀釋率的變化規律，研究結果如下：

（1）稀釋率與送絲速度、焊接速度和焊接電流均有關。

（2）當熱輸入和焊接電流、電壓不變時，送絲速度和焊接速度對稀釋率的影響可忽略不計。

（3）當熱輸入和焊接電流、電壓不變時，可通過改變焊接速度和送絲速度來調整室溫回火焊接工藝，稀釋率不變。

參考文獻：

[1] 李昌義，劉正東，林肇杰. 核電站反應堆壓力容器用鋼的研究與應用[J]. 特殊鋼，2010，31（4）：14-17.

[2] 劉正東. 鋼鐵材料技術國產化是實現核電產業自主化的基礎[J]. 中國冶金，2008，18（11）：1-3.

[3] 陸斌，丁亞平. 國產低合金鋼腐蝕疲勞和輻照脆化行為研究[J]. 腐蝕與防護，2001，22（11）：463-467.

[4] 葉義海，鄭德旭，羅緒珍，等. 核級低合金鋼手工回火焊接熱影響區組織性能研究[J]. 電焊機，2018，48（5）：34-39.

[5] 葉義海，羅緒珍，王建，等. 低合金鋼自動回火焊接過程中熱影響區組織轉變[J]. 電焊機，2018，48（1）：57-62.