多次返修次數對SA-533GrBCL1鋼焊接接頭組織和性能的影響

明 陽，賈永方，王名錦，王 勇

東方電氣集團 東方鍋爐股份有限公司，四川 自貢 643001

0 前言

在承壓設備的焊接過程中，盡管《鍋爐和壓力容器安全技術監察規程》以及相關制造技術規范都有“焊縫同一部位的返修次數不宜超過兩次，超過兩次，返修前應經制造單位技術負責人批準”的管理規定[1-2]，但限于工況條件，實際生產時多次返修現象依然普遍存在。通常認為，返修焊縫特別是多次返修焊縫受多次焊接熱循環作用會對焊縫韌性和焊接性產生影響，其影響程度與其鋼種等因素相關。趙飛[3]等針對多次返修對16MnDR焊接接頭組織與力學性能的影響進行了研究，得到了返修4次后晶粒粗大、沖擊韌性和硬度有所下降的結論。吳進銀[4]等人以奧氏體不銹鋼S30408作為研究對象，分區域進行5次返修試驗，并對每個區域分別進行力學性能、金相分析、能譜分析，經過多次返修后，S30408接頭熱影響區的低溫沖擊性能明顯降低。

SA-533GrBCL1是美標壓力容器用鋼板，它屬于核電用容器鋼板，在沸水堆和壓力堆上均有大量應用。SA-533GrBCL1為Mn-Mo-Ni型低合金鋼，其淬火組織為馬氏體組織，過度返修易產生的缺陷有裂紋等缺陷的產生。本文選用SA-533GrBCL1鋼，通過5次焊縫返修，研究不同返修次數下焊接接頭的組織和力學性能的變化，對比分析與原焊縫的差異，評估其性能變化對相關規范的符合性，為SA-533GrBCL1鋼的實際應用提供借鑒[5]。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

試驗母材為SA-533GrBCL1，板厚30 mm，其化學成分和力學性能如表1、表2所示。

表1 SA-533BCL1化學成分（質量分數，%）Table 1 Chemical composition of SA-533BCL1（wt.%）

表2 SA-533BCL1力學性能（退火態）[6]Table 2 Mechanical properties of SA-533BCL1（annealed state）

返修試驗焊材選擇四川大西洋CHE608HR1焊條，型號ASME SFA5.5 E9018-GH4，直徑4.0 mm，其熔敷金屬化學成分和力學性能如表3、表4所示。

表3 熔敷金屬化學成分（質量分數，%）Table 3 Chemical composition of deposited metal（wt.%）

表4 熔敷金屬力學性能（607℃×2.25 h）Table 4 Mechanical properties of deposited metal

1.2 試驗方法

用10件單塊300 mm（長）×150 mm（寬）×30 mm（厚）的試件組合，分別用于1～5次返修的五付試件，分別用R-1～R-5編號分別表示未返修、一次返修、三次返修、五次返修、返修五次+退火試板[2]，試板狀態標識如表5所示。返修模擬試件和返修焊縫焊接工藝為SMAW，單邊60°V型坡口，組對間隙2～3 mm，鈍邊1～2 mm，背面碳弧氣刨清根。焊前預熱溫度大于150℃，層間溫度不超過300℃。模擬1～5次返修焊縫分別采用碳弧氣刨清除上一次原始焊縫，并用角向磨光機砂磨露出金屬光澤后進行PT檢查。R-5模擬試件退火溫度在595～625℃，保溫時間15 h，返修焊接工藝參數如表6所示，返修模擬試件和返修焊縫工藝相同。

表5 試板狀態標識Table 5 Test plate status identification

表6 焊縫返修工藝參數Table 6 Process parameters of weld repair

2 試驗檢驗

2.1 無損檢測

試板R-1～R-5按NB/T47013.2進行UT和MT探傷檢驗，質量等級均為Ⅰ級。

2.2 力學性能和硬度檢測

按照NB/T47014-2011《壓力容器焊接工藝評定》標準要求和規定的試驗方法，截取拉伸、沖擊、彎曲和硬度試樣，并進行相應試驗。試驗結果如表7、表8、圖1所示。

表7 拉伸和彎曲試驗結果Table 7 Tensile（bending）test results

表8 沖擊韌性試驗結果（Akv/J，-20℃）Table 8 Results of impact toughness test（Akv/J，-20 ℃）

圖1 焊接接頭硬度Fig.1 Hardness of welded joint

2.3 金相檢測

為研究多次返修對SA-533GrBCL1鋼焊接接頭區域組織的影響，截取未返修、多次返修和返修后熱處理焊接接頭表層焊縫、熔合區域金屬進行金相檢測[7]。圖2、圖3分別為不同返修次數對應焊縫金屬及其熔合區的微觀金相組織照片。

圖2 不同返修次數焊縫金屬微觀金相組織Fig.2 Microstructure of weld metal with different repair times

圖3 不同返修次數對應熔合區微觀金相組織Fig.3 Microstructure of fusion zone corresponding to different repair times

3 結果分析

3.1 拉伸與彎曲試驗結果分析

由表7可知，基于等強原則選擇焊條，所獲接頭焊縫強度高于母材標準值的下限，且經1～5次返修后焊接接頭焊態的拉伸強度變化不明顯，強度變化最大值不超過17MPa。經5次返修后，經（610±15）℃×15 h退火熱處理試樣的拉伸強度與5次返修后焊態的拉伸強度相比雖然降低了25.5 MPa，但仍高于母材標準值下限；除未返修原始接頭斷于焊縫外，其他返修拉伸試樣斷口均在母材，表明返修焊接接頭經多次熱循環后熱影響區可能存在軟化帶[8]。從彎曲試驗結果看，未見開口缺陷。表明經多次返修后的焊接接頭仍表現出良好的塑性和致密性。

3.2 沖擊試驗結果分析

由表8可知，未返修和經多次返修的焊縫、熔合區和熱影響區沖擊韌性試驗的結果仍高于NB/T 47014-2011《壓力容器焊接工藝評定》及相關制造規范要求，不低于38 Akv/J，表明多次返修焊縫仍具有較高的韌性。未返修焊縫因母材稀釋的原因導致焊態焊縫金屬的沖擊韌值相對較低；返修焊縫沖擊韌性平均值的變化不大，離散度有所增加，且R-5的沖擊韌性高于焊態焊縫。表明經多次返修和經焊后熱處理的焊縫組織均勻性或形態有所改變，且焊后熱處理表現出一定的韌性降低。

3.3 硬度測試結果分析

如圖1所示，R-1焊接接頭母材硬度值高，熱影響區硬度較低，表明經多次返修后熱影響區較未返修接頭存在軟化，與拉伸斷口位置有較好的耦合；5次返修經焊后熱處理后的硬度相較于焊態，其母材、熱影響區和焊縫硬度均降低，表明焊后熱處理降解并平化了焊接接頭各區域的硬度差異。

3.4 金相檢測結果分析

由圖2可知[9]，未返修（R-1）的焊縫金屬組織為針狀及塊狀鐵素體；一次返修（R-2）和3次返修（R-3）焊縫金屬組織為大塊狀及針狀的先共析鐵素體；五次返修（R-4）的焊縫金屬組織為片狀和塊狀的白色先共析鐵素體。五次返修后經焊后熱處理（R-5）的焊縫金屬組織為塊狀鐵素體。焊縫金屬組織受后續焊道的影響，晶內以細小的塊狀鐵素體和先共析鐵素體為主，還有少量的粒狀貝氏體。

如圖3所示，未返修（R-1）和一次返修（R-2）的熔合區和熱影響區組織均勻性較好，熱影響區晶粒粗化不明顯，區域組織為塊狀與多邊鐵素體、粒狀貝氏體的混合組織；3次返修（R-3）熔合區組織焊縫組織均勻，粗晶區晶粒大小與一次返修相比未見明顯變化，組織為多邊鐵素體與塊狀鐵素體、粒狀貝氏體混合組織并有少量珠光體；5次返修（R-4）的組織為片狀和塊狀的白色先共析鐵素體；5次返修后經焊后熱處理（R-5）焊縫組織為塊狀鐵素體[10]。熔合區和熱影響區組織受后續焊道熱影響細化均化較好，原奧氏體晶界消失，為粒狀貝氏體、多邊與塊狀鐵素體，細晶區晶粒細小均勻，為等軸鐵素體和粒狀貝氏體。

上述分析表明，SA-533GrBCL1鋼熱影響區在多次焊接熱循環作用下，過熱區的晶粒粗化，為粗大的柱狀晶組織，在柱狀晶的晶界上分布的先共析鐵素體，沿晶界上有少量的貝氏體，晶間有粒狀貝氏體聚集，晶內為鐵素體和粒狀貝氏體組織，鐵素體多以等軸晶形式存在并略有偏析。但隨著返修次數的增加，焊縫和焊后熱處理熔合區微觀上表現為鐵素體組織萌生針狀、塊狀、片狀形態轉變，并伴生少量粒狀貝氏體、珠光體組織形態，與宏觀上沖擊韌性值離散度有所變化顯示出相關性[11]。

4 結論

（1）從SA-533GrBCL1多次返修和返修焊后熱處理拉伸、彎曲、沖擊韌性試驗和硬度檢測結果看，多次返修和返修焊后熱處理與未返修焊接接頭性能相比較沒有異常改變，各項性能指標符合NB/T 47014-2011《壓力容器焊接工藝評定》及相關制造規范要求。

（2）從焊縫金屬、熔合區及熱影響區金相組織分析結果看，SA-533GrBCL1鋼焊接接頭經多次返修，在多次焊接熱循環作用下，熱影響區晶粒粗化不明顯，但隨著返修次數的增加，焊縫和焊后熱處理熔合區微觀上鐵素體組織與組織結構發生轉變，宏觀上表現為區域沖擊韌性值離散度有所變化。

（3）就SA-533GrBCL1鋼焊縫的多次返修進行較系統的接頭金相組織分析和力學性能測試，為后續的相關研究和工程實踐提供了可靠的數據支撐，對拓寬SA-533GrBCL1鋼焊接的工程應用實踐具有一定的指導意義和參考價值。