ER90S-G焊絲接頭力學性能出現差異的原因

丁嚴廣, 李 健, 孫盛業

(山東核電設備制造有限公司, 海陽 265100)

模塊化設計和施工是第三代大型先進非能動壓水堆核電機組AP1000具有的不同于以往核電設計技術的先進理念[1]。模塊化施工需要大量的焊接作業，因此焊接接頭的質量直接決定著核電站的運行安全。鋼制安全殼(CV)作為核電站的一道重要保護屏障，擔負著阻止核電站內部向環境釋放裂變產物的重任[2]。CV作為一個特大壓力容器(容器內徑為39.6 m，容器總高為65.6 m)，實行工廠模塊化預制后在現場焊接拼裝，不僅降低運輸難度，同時可以保證產品質量[3-5]。ER90S-G低合金鋼焊絲作為CV拼接用的焊材，對其質量的要求非常嚴格。因此，焊材復驗管理是CV整體質量保證中非常重要的一環。

在對某一批次規格為φ1.2 mm的ER90S-G焊絲入廠驗收時，檢測人員經室溫拉伸試驗發現采用該焊絲焊接試樣的抗拉強度為740 MPa，超過公司采購依據的標準ASME Ⅱ SFA 5.28: 2013SpecificationforLow-alloySteelElectrodesandRodsforGasShieldedArcWelding的要求范圍(585～735 MPa)。按照標準的要求，可以加倍取樣進行復驗，因此焊接人員采用同樣的焊接參數重新焊接板狀試樣，后續重新機加工制取試樣，再對其進行拉伸試驗，抗拉強度分別為650 MPa和640 MPa，符合ASME Ⅱ SFA 5.28:2013的技術要求。為分析前后兩次試驗抗拉強度存在差異的原因，筆者通過試驗進行了深入分析，以期為后續的焊材復驗提供參考。

1 試驗材料與試驗方法

1.1 試驗材料

試驗采用A36鋼板作為待焊材料，厚度δ=19 mm。開45° V形坡口對接，坡口間距為13 mm，具體的坡口形式和焊道布置如圖1所示。所用焊材為ER90S-G焊絲，規格為φ1.2 mm，按表1所示的焊接參數焊接兩塊試樣，分別編號為1號和2號試樣。

圖1 坡口形式與焊道布置示意圖Fig.1 Diagram of groove design and welding sequence

表1 焊接參數Tab.1 Welding parameters

1.2 試驗方法

在1號和2號試樣的焊縫部位沿軸向分別取一根和兩根棒狀拉伸試樣，試樣直徑為12.5 mm，長度為100 mm,根據AWS B4.0M：2000StandardMethodsforMechanicalTestingofWelds的技術要求進行室溫拉伸試驗。在1號和2號試樣上取樣并加工V形缺口沖擊試樣，試樣尺寸為10 mm×10 mm×55 mm，缺口位于焊縫中心位置，根據AWS B4.0M：2000的技術要求進行夏比V形缺口沖擊試驗，沖擊溫度設定為-29 ℃。再在1號和2號試樣上分別取樣，根據ASTM A751—2011StandardTestMethods,Practices,andTerminologyforChemicalAnalysisofSteelProducts的技術要求對熔敷金屬的化學成分進行分析。根據GB/T 226—2015《鋼的低倍組織及缺陷酸蝕檢驗法》的要求，在斷后拉伸試樣的端部截取金相試樣，采用體積分數為4%的硝酸酒精溶液浸蝕后觀察顯微組織。

2 試驗結果與分析

2.1 力學性能試驗

1號和2號試樣的拉伸試驗結果如表2所示，可知1號試樣的抗拉強度和屈服強度均比2號試樣的高100 MPa左右，而斷后伸長率低了近4%。說明隨著強度的升高，試樣的塑性會出現一定幅度的下降，同時伴隨著沖擊功的升高，沖擊試驗結果如表3所示。

表2 拉伸試驗結果Tab.2 Tensile test results

表3 夏比沖擊試驗結果Tab.3 Charpy impact test results

2.2 化學成分分析

金屬中對力學性能起重要作用的元素主要是碳、硅、錳、鎳、鉻、銅和鉬等，隨著各元素含量在一定范圍內增加，材料的屈服強度和抗拉強度會相應提高[6]?；瘜W成分分析結果如表4所示，可見兩個焊接試樣的主要化學成分基本一致，同時磷和硫的含量也都符合ASME Ⅱ SFA 5.28: 2013的要求，含也基本一致，說明焊接參數對試樣的化學成分基本沒有影響，因此力學性能差異不是由化學成分的微小差別引起的。

表4 化學成分分析結果(質量分數)Tab.4 Analysis results of chemical composition (mass fraction) %

2.3 金相檢驗

兩個焊接試樣的顯微組織如圖2和圖3所示，可見熔敷金屬組織為鐵素體+珠光體，鐵素體主要是在奧氏體晶粒內形成的細晶鐵素體和部分針狀鐵素體。針狀鐵素體的形成是由于焊縫金屬的快速冷卻，使合金元素形成了熔點較高的非金屬夾雜MnO，MnS2，SiO2，在熔池中首先析出，由于熔點不同，導致形成了以SiO2為核心、MnO2和MnS2為表層的復合夾雜物充當針狀鐵素體形核的核心[6-8]。同時對比觀察兩個試樣的顯微組織，可知1號試樣的針狀鐵素體較2號試樣的多，判斷是因為1號試樣層間溫度低，試板冷卻速度快，導致組織中形成較多的針狀鐵素體。

圖2 1號試樣焊縫熔敷金屬的顯微組織Fig.2 Microstructure of weld deposited metal of sample 1

圖3 2號試樣焊縫熔敷金屬的顯微組織Fig.3 Microstructure of weld deposited metal of sample 2

2.4 焊接參數分析

焊接參數主要包括焊接電流、電壓、焊接速度、氬氣流量和層間溫度[9]。在該試驗中，除去層間溫度，兩個焊接試樣的其他參數基本一致。兩個焊接試樣的預熱溫度和層間溫度如表5所示，首道焊縫焊接前的溫度即是預熱溫度，層間溫度是指多道焊縫在施焊下一焊道之前的溫度。層間溫度過高會引起熱影響區晶粒粗大，過低會使焊縫金屬受類淬火處理，晶粒細小，甚至會產生裂紋。通過對比表5所示的焊接層間溫度控制參數，可知1號試樣焊接過程中的層間溫度比2號試樣平均溫度低20～30 ℃。分析是由于焊接過程中預熱不夠，且天氣寒冷，操作車間室溫接近0 ℃，導致1號試樣冷卻速度快，奧氏體化停留時間短，晶粒來不及長大，相對較小，所以試樣強度會升高，超過了規定值。而當層間溫度升高后，奧氏體化停留時間增長[10]，晶粒尺寸增大，試樣強度會降低。

表5 焊接層間溫度控制參數Tab.5 Temperature control parameters between welding layers

3 結論及建議

(1) 焊接接頭試樣抗拉強度和屈服強度的升高是焊接過程中層間溫度偏低造成的。層間溫度偏低導致組織中針狀鐵素體增多，同時伴隨著材料塑性的降低，表現為斷后伸長率減小。

(2) 建議準確控制焊接參數中預熱及層間溫度，最好制定適用于不同季節尤其是冬季的層間溫度。

(3) 在焊材復驗過程中應嚴格按照技術要求進行焊接，尤其不能忽視層間溫度這一重要參數。當環境溫度較低時，考慮到散熱快，應嚴格采取保溫措施，盡量將層間溫度控制在要求范圍內。