核電用不銹鋼帶極電渣堆焊焊帶和焊劑的研制

韓宇， 馮偉， 鄒小平, 鄒力維， 陳波

(1.哈爾濱威爾焊接有限責任公司，黑龍江 哈爾濱 150028；2.中廣核工程有限公司，廣東 深圳 518124)

0 前言

核電用EQ308L不銹鋼帶極-堆焊材料主要用于核電反應堆內部所有與一回路水接觸的低合金鋼容器的表面堆焊，如反應堆壓力容器、蒸發器下封頭和穩壓器等構件[1]。該材料除了對加工精度、合金設計和焊道成形的要求較高外，對匹配焊劑微量元素的過渡和碳、硫、磷元素的控制要求也較高。同時，由于該材料受熱輸入的影響較大。通常情況下，該材料的開發難度較大，帶極堆焊同其它焊接方法相比，具有焊道寬、熔深淺、效率高等優點，帶極堆焊方法包括埋弧焊和電渣焊，近年來，國外帶極堆焊技術已廣泛應用到核電領域，在國內，核電領域應用的埋弧焊較多，電渣焊有應用但對其研究較少，對比兩種方法，電渣堆焊的工藝性能優良，冶金性能良好，熔敷金屬化學成分和力學性能穩定，因此，文中開展了核電EQ308L帶極電渣堆焊技術的研究。

1 焊帶、焊劑成分設計

1.1 焊帶

資料顯示，C，N原子均可以提高奧氏體不銹鋼強度[2]，但是，C原子是奧氏體不銹鋼引起晶間腐蝕的最主要元素。隨著C含量的增加，奧氏體不銹鋼抗晶間腐蝕能力降低[3]。核級材料不僅要求具有較好的力學性能，而且還要求具有較好的抗晶間腐蝕能力，文中通過對EQ308L帶極電渣堆焊材料進行控碳控氮處理，保證了EQ308L不銹鋼帶極電渣堆焊材料化學成分和力學性能均滿足核電相關技術要求，化學成分見表1。

表1 WEQ308HR焊帶化學成分(質量分數，%)

1.2 焊劑

通過對基礎電渣焊劑配方的優化調整測試，最終確定渣系為CaF2-MgO-SiO2-Al2O3。

CaF2是主要造渣劑，同時，具有脫硫和去氫的作用，由于熔點較低，有助于降低熔渣的粘度，從而有利于熔渣的流動性和焊縫成形。MgO可以改善熔渣的堿度、透氣性和表面張力，在適當的范圍內，焊劑中隨MgO含量的增加，熔渣的膨脹系數增加，焊道的成形性提高。SiO2有利于焊接工藝性的改善，它能改善熔渣的粘度和表面張力，對焊道的成形有重要的作用。Al2O3具有優良的化學穩定性，熔點較高，對脫渣性起顯著作用[4-6]。電渣焊劑WSJ38HR化學成分見表2。

表2 WSJ38HR焊劑化學成分(質量分數，%)

2 試驗過程

帶極電渣堆焊材料選用研制的WEQ308HR焊帶和WSJ38HR焊劑，焊帶規格0.5 mm×60 mm，焊劑規格為178～2 000 μm，母材選用300 mm×300 mm×40 mm的A508-Ⅲ鋼板，過渡層選用EQ309L焊帶，電源采用平特性電源林肯DC-1500，控制系統采用林肯NA-3N。采用帶極電渣堆焊，焊前需預熱試板，預熱溫度為100～150 ℃。焊接工藝參數見表3。

表3 WEQ308HR/WSJ38HR焊接工藝參數

3 試驗結果與分析

3.1 焊劑的工藝性能

WEQ308HR不銹鋼焊帶配合電渣焊劑WSJ38HR進行堆焊時，起弧容易、電弧燃燒穩定、無飛濺和煙塵、焊道表面成形美觀、焊道之間搭接處熔合良好、脫渣良好、無咬邊現象、整體焊接工藝性能良好。堆焊后對焊道厚度和寬度進行測量，測量結果，過渡層厚度為3.2 mm，堆焊層厚度為3.3 mm，焊道寬度為65 mm。焊接工藝性如圖1所示。

圖1 WEQ308HR/WSJ38HR堆焊工藝形貌

3.2 焊劑的冶金性能

堆焊層質量與焊劑有著密切關系。焊劑除了起到焊縫合金穩定過渡作用外，還能起到抑制熔敷金屬中C，S，P等有害元素增加的作用。同時，減少益合金元素Cr，Ni等有益元素的燒損量。文中對焊帶和熔敷金屬中C，Si，Mn，S，P，Cr，Ni元素進行化學分析對比，得出了7種元素的過渡特性，見表4。

表4 焊劑WSJ38HR典型元素過渡特性(質量分數，%)

3.3 焊帶和熔敷金屬化學成分

焊帶和熔敷金屬化學成分按照NB/T 20009—2012《壓水堆核電廠用焊接材料》標準中GB/T 223進行化學分析，結果見表5，從表5中可以看出，焊帶及熔敷金屬化學成分滿足核電相關技術要求。

表5 WEQ308HR焊帶及熔敷金屬化學成分(質量分數，%)

3.4 不同焊接熱輸入條件下熔敷金屬力學性能

在焊接電壓不變的條件下，通過對焊接電流和焊接速度等焊接工藝參數進行了調整，共設計出4種焊接試驗方案，研究了不同焊接熱輸入對熔敷金屬力學性能的影響規律，不同焊接試驗方案下焊接工藝參數見表6。

表6 試驗焊接工藝參數

3.4.1拉伸試驗

熔敷金屬室溫拉伸試驗按NB/T 20009—2012《壓水堆核電廠用焊接材料》標準中GB/T 2652—2008《焊縫及熔敷金屬拉伸試驗方法》執行，室溫拉伸試樣直徑為φ10 cm。4種不同焊接試驗方案下的室溫拉伸強度結果見表7。從表7中可以看出，焊接熱輸入從70.9 kJ/cm增加至187.2 kJ/cm時，室溫拉伸性能均能很好的滿足核電相關技術要求，而且穩定性較好。隨著焊接熱輸入的增加，抗拉強度、屈服強度及斷后伸長率呈下降趨勢，焊接熱輸入對斷面收縮率的影響較小。

表7 焊接熱輸入對室溫拉伸性能影響

3.4.2彎曲試驗

彎曲試驗按GB/T 2653—2008執行，D=4a，α=180°要求進行，對焊道分別取橫向大側彎180 mm×40 mm×10 mm試塊4件，對試樣進行180°冷彎試驗后，彎曲部位均未發現裂紋。結果表明，將熱輸入從70.9 kJ/cm增加至187.2 kJ/cm時，堆焊層具有良好的彎曲性能。試樣冷彎后的宏觀照片如圖2所示。

圖2 冷彎試樣形貌

3.4.3 晶間腐蝕試驗

晶間腐蝕試驗按照NB/T 20009—2012《壓水堆核電廠用焊接材料》標準中GB/T 4334—2008 E法執行，對焊道取80 mm×20 mm×3 mm的試塊4件，經16 h硫酸-硫酸銅-銅屑溶液腐蝕后，對試樣進行180°彎曲試驗，在顯微鏡下放大后對彎曲面進行觀測，均未發現晶間腐蝕傾向。結果表明,將熱輸入從70.9 kJ/cm增加至187.2 kJ/cm時，耐蝕層具有良好的晶間腐蝕性。

3.4.4金相試驗

從方案2和方案3中各選取焊縫橫向截面上顯微試樣1件，經拋光、腐蝕后，在金相顯微鏡下放大后進行微觀組織觀察，焊縫金相形貌如圖3和圖4所示。

圖3 熔敷金屬金相組織(E=91.8 kJ/cm)

從圖3和圖4中可以看出，堆焊層組織均為奧氏體+δ鐵素體了，呈柱狀晶，未發現微觀裂紋。結果表明，隨著熱輸入增加，奧氏體晶粒出現明顯的長大趨勢，原因在于隨熱輸入的增加，高溫停留時間隨之增加，導致奧氏體晶粒長大。除此之外，金屬原子的擴散速度會隨著峰值溫度的增加而加快，C，N等元素會降低γ-Fe原子間的結合力，使鐵元素自擴散速度增加，從而使奧氏體晶粒長大[7-8]。

圖4 熔敷金屬金相組織(E=110.1 kJ/cm)

4 結論

(1)新研制的核級不銹鋼焊帶WEQ308HR配合電渣焊劑WSJ38HR焊接，工藝性能良好、焊道成形光滑平整、脫渣良好，焊劑具有較好的工藝性能和冶金性能。

(2)新研制的電渣堆焊材料通過控碳控氮處理，解決了室溫抗拉強度不能穩定≥520 MPa的難題。

(3)新研制的焊帶具有較寬泛的熱輸入適應性，在焊接熱輸入70.9～187.2 kJ/cm范圍內，熔敷金屬化學成分及力學性能穩定，滿足核電相關技術要求。