核島主蒸汽隔離閥閘板鈷基堆焊裂紋的成因及改進

朱奇敏，張志強，肖瑞旺，張順達，孫福成，吳義黨，王偉波

中廣核工程有限公司，廣東 深圳 518124

0 前言

核島主蒸汽隔離閥（核二級閘閥DN800-600LB）位于主蒸汽管線上，要求其在接收到關(guān)閉信號后5 s內(nèi)能夠快速關(guān)閉以限制蒸汽排放，當發(fā)生主蒸汽管線斷裂時，主蒸汽隔離閥應(yīng)能隔離系統(tǒng)中的雙向流體。閥門密封面質(zhì)量（如耐腐蝕、耐磨損等）直接影響閥門的使用壽命。核島主蒸汽隔離閥密封面一般均采用鈷基合金堆焊，鈷基合金是一種抗高溫腐蝕性能優(yōu)異的耐磨金屬，在鈷基合金中加入多種合金元素后經(jīng)過成分和組織的調(diào)整，可以在很大程度上改變堆焊層的強度、韌性、耐磨性、耐蝕性、耐熱性和抗沖擊性等［1-3］。

某核島主蒸汽隔離閥閘板鈷基堆焊中及后續(xù)加工過程中陸續(xù)發(fā)現(xiàn)閘板堆焊面存在貫穿性裂紋，鈷基堆焊一次合格率較低，僅有20%左右，用于該密封面堆焊的材料為ERCoCr-A。因此本文針對堆焊裂紋成因進行分析，同時對閥門閘板結(jié)構(gòu)、工藝等進行了相應(yīng)的改進優(yōu)化，對后續(xù)同類產(chǎn)品及大口徑閘板堆焊裂紋處理有一定的參考價值。

1 核島主蒸汽隔離閥閘板鈷基焊接裂紋成因機理分析

1.1 鈷基焊接裂紋成因機理

鈷基合金組織為樹枝狀結(jié)晶的Co-Cr-W合金固溶體（奧氏體）初晶和固溶體Cr-W復(fù)合碳化物的共晶體基底，晶間還有少量低熔點共晶產(chǎn)物，一般可能會形成熱裂紋或冷裂紋［4］。鈷基合金線膨脹系數(shù)相對于基體母材較小，其熔敷金屬在冷卻時易形成較大的內(nèi)應(yīng)力。鈷基合金熱裂紋主要是在焊接時高溫下產(chǎn)生，高溫下晶界上的低熔共晶組成重新被熔化，在拉應(yīng)力的作用下，沿Co-Cr-W合金固溶體晶界開裂，形成熱裂紋，如圖1所示。鈷基合金堆焊后一般會形成硬度較高的Cr23C6/WC等共晶組織，其氫的溶解度較小，擴散氫含量較高，導(dǎo)致接頭性能脆化，并聚集在焊接缺陷處形成大量氫分子，造成非常大的局部壓力，形成冷裂紋，如圖2所示。

圖1 閘板堆焊中發(fā)現(xiàn)一處貫穿性裂紋Fig.1 Penetrating cracks in ram surfacing

圖2 閘板精加工后四處貫穿性裂紋Fig.2 Four penetrating cracks of ram after finishing

1.2 焊接接頭的應(yīng)力影響

焊接接頭（焊縫、熔合區(qū)、熱影響區(qū)和母材）在不均勻加熱和冷卻過程中會產(chǎn)生熱應(yīng)力。閥門密封面接頭焊接時受熱面發(fā)生膨脹，使其承受了壓應(yīng)力。焊接后在逐步冷卻過程中，受熱面收縮將承受拉應(yīng)力。熔合區(qū)不均勻的組織轉(zhuǎn)變引起的組織應(yīng)力，熔合區(qū)奧氏體組織分解時析出鐵素體、珠光體和馬氏體引起體積膨脹，而轉(zhuǎn)變后的組織具有較小的膨脹系數(shù)，會減輕焊后收縮時產(chǎn)生的拉伸應(yīng)力，即相變時產(chǎn)生的應(yīng)力也會對焊接熔合區(qū)產(chǎn)生影響。另外，應(yīng)力大小與母材和填充金屬的熱物理性質(zhì)有關(guān)，在這些應(yīng)力綜合作用下易誘發(fā)焊接裂紋等缺陷。

1.3 其他因素分析

（1）異種鋼焊接。母材為碳鋼鍛件（法標材料A42AP），焊材為ERCoCr-A（6級，鈷基合金粉末和鈷基合金焊絲，焊絲直徑3.2 mm），母材及焊材的化學(xué)成分如表1所示。由于填充金屬和母材的合金成分有明顯差別，異種鋼焊接難度較大，產(chǎn)品（密封面）硬度要求較高，硬度值（HRC）要求為43～47，其母材與焊材熔合區(qū)成分和組織不均勻，近焊縫易形成硬脆的馬氏體組織，容易出現(xiàn)裂紋等缺陷。

表1 母材及焊材的化學(xué)成分（質(zhì)量分數(shù)，%）Table 1 Chemical composition of base metal and welding materials（wt.%）

（2）焊接結(jié)構(gòu)不對稱。閘板結(jié)構(gòu)為“D”形，焊接區(qū)域不對稱，采用兩種焊接工藝，密封面采用等離子噴粉自動焊，導(dǎo)向面采用手工氬弧焊，兩種焊接工藝搭接處更易導(dǎo)致焊接應(yīng)力集中引發(fā)裂紋，如圖4所示。

圖3 閘板三維模型堆焊簡圖Fig.3 Diagram of three-dimensional model surfacing of ram

圖4 閘板堆焊（手工+自動焊）Fig.4 Ram surfacing（manual welding+automatic welding）

（3）閘板鈷基堆焊面積大、焊接層數(shù)多，易出現(xiàn)缺陷問題。主蒸汽隔離閥閘板直徑大，堆焊面積相應(yīng)增大，為避免鈷基合金稀釋造成硬度值低于設(shè)計要求，通常一般閘板堆焊兩層，堆焊層厚度5 mm，而制造廠內(nèi)要求鈷基堆焊層數(shù)為3層，堆焊后厚度達到10 mm。

（4）冬季焊接施工等加大了缺陷出現(xiàn)的幾率。冬季進行閘板的焊接，焊接產(chǎn)品與室溫溫差大，熱量流失嚴重，對于大口徑閘板焊前熱量的流失、補熱、周轉(zhuǎn)中避免溫度急劇冷（保溫）等都提出了較高要求（見圖5），增加了施焊難度。

圖5 閘板冬季施焊Fig.5 Welding of ram in winter

綜上所述，核島主蒸汽隔離閥閘板堆焊產(chǎn)生裂紋，主要是受應(yīng)力及各種因素綜合影響。其焊接工藝評定的驗證性不足，未充分考慮閘板焊接結(jié)構(gòu)的不對稱、堆焊厚度等影響，未及時預(yù)判焊接質(zhì)量問題的嚴重性并及時采取糾正措施，導(dǎo)致后續(xù)閘板堆焊連續(xù)出現(xiàn)貫穿性裂紋等同類質(zhì)量問題。

4 核島主蒸汽隔離閥閘板鈷基堆焊工藝的改進

4.1 優(yōu)化閘板堆焊的焊接結(jié)構(gòu)

閘板的密封面及導(dǎo)向面采用“凸臺”分隔開（見圖6），具體措施：密封面及導(dǎo)向面均下沉3～4 mm，在其原搭接區(qū)域留10 mm的環(huán)帶不加工（見圖7），先用手工氬弧焊堆焊導(dǎo)向面，再用等離子噴粉自動焊堆焊密封面，避免了密封面與導(dǎo)向面焊接時直接接觸，降低兩種焊接工藝搭接處產(chǎn)生的應(yīng)力集中現(xiàn)象，緩解和進一步避免了裂紋產(chǎn)生［5］。

圖6 閘板導(dǎo)向面及密封面Fig.6 Ram guide surface and sealing surface

圖7 閘板導(dǎo)向面及密封面焊前尺寸Fig.7 Dimension of ram guide surface and sealing surface before welding

4.2 優(yōu)化堆焊層數(shù)

結(jié)合閥門焊接等經(jīng)驗反饋，調(diào)整堆焊層數(shù)至兩層，每層堆焊厚度約2.5 mm，堆焊同時進行重新模擬件焊接，確保各項指標符合設(shè)計要求，其中密封面的關(guān)鍵指標硬度值要求為43～47 HRC。重新模擬產(chǎn)品焊接，實測精加工后堆焊層表面硬度值及化學(xué)成分分別如表2、表3所示，通過檢測堆焊層硬度及化學(xué)成分，進一步驗證焊后稀釋率，對比堆焊兩層與堆焊三層的硬度值、化學(xué)成分值，發(fā)現(xiàn)差異不大。其微觀金相組織如圖8所示，金相沒有異常組織、晶粒粗大、顯微裂紋、過度滲碳等。

圖8 焊后微觀金相組織Fig.8 Microstructure after welding

表2 不同厚度下密封面的硬度值Table 2 Hardness value of sealing surface with different thickness

表3 不同厚度下密封面的化學(xué)成分（質(zhì)量分數(shù)，%）Table 3 Chemical composition of sealing surface with different thicknesses（wt.%）

綜上，調(diào)整堆焊厚度精加工為3 mm，從工藝實施上堆焊兩層即可，大于3 mm后鈷基堆焊層硬度趨于穩(wěn)定［6-7］，耐磨性能可達到最佳。

4.3 優(yōu)化堆焊參數(shù)

優(yōu)化焊接參數(shù)如表4所示，經(jīng)最終驗證，優(yōu)化后的焊接參數(shù)可滿足工藝要求，堆焊后的硬度值為符合預(yù)期指標。通過控制送粉量、焊接電流及焊接速度，在保證堆焊質(zhì)量的前提下，選用合適的送粉量，盡可能選用小的焊接電流，小的焊接速度，確保最終的焊接質(zhì)量［8-9］。

表4 閘板焊接參數(shù)Table 4 Ram welding parameters

4.4 優(yōu)化熱處理制度

優(yōu)化了焊前和焊后的熱處理制度，如表5所示。通過提高預(yù)熱溫度，有利于基體金屬與熔敷金屬的融合，減少母材熔深，焊接時液體金屬的流動性好，后熱既能消除焊接應(yīng)力，又能起到消氫作用，減少氫裂紋的產(chǎn)生。為更好地緩解焊接應(yīng)力，控制升降溫速率，在專用熱處理爐中進行升降溫，確保升降溫速率在55℃/h以下，并在爐內(nèi)隨爐冷卻，達到緩冷效果［10］。

表5 優(yōu)化前后的熱處理制度對比Table 5 Comparison of heat treatment systems before and after optimization

4.5 細化閘板堆焊的焊前準備

由于閘板堆焊為多層多道，焊接接頭較多，為吸取前期閘板裂紋缺陷經(jīng)驗并確保后續(xù)堆焊焊接質(zhì)量，對焊接順序、起弧、收弧的排布、打磨、搭接量等進行了更為細致的梳理，形成現(xiàn)場焊接工藝指導(dǎo)書，簡述如下：

（1）調(diào)整焊接順序，先焊接導(dǎo)向面，熱處理后再進行密封面焊接，降低對密封面的焊接應(yīng)力影響。

（2）焊前在閘板正面不焊接位置標注3、6、9、12點鐘位置，從里往外焊接，第一層從3點鐘位置開始焊接，一道的收弧點和另一道的起弧點需錯開，距離在150 mm以上，避免焊接過程中的應(yīng)力在收弧點處過于集中。

（3）每一道的收弧處須圓滑打磨（采用氧化鋁砂輪），去除收弧處的弧坑缺陷（如氣孔、縮孔、裂紋等），降低應(yīng)力集中。

（4）焊接擺幅設(shè)定焊道之間的搭接量在40%～50%，搭接量較大，利于多道焊每層整體的淬硬組織分布更為平緩，其回火作用更為明顯。

（5）每焊完一圈（一道）的搭接角度為360°～370°，收弧處電流衰減時間至少20 s，收弧需緩慢順滑；減少搭接處（收弧處）焊接缺陷，使搭接處熔池充分融合。

4.6 加強過程質(zhì)量控制

通過強化過程質(zhì)量控制，使改進措施嚴格執(zhí)行，確保最終閘板的焊接質(zhì)量。

（1）閘板焊前清潔度檢查：與一般焊接坡口清潔度的要求相同，堆焊前坡口及鄰近區(qū)域要無銹蝕、油脂或其他異物。由于預(yù)熱溫度較高，焊前需將坡口的氧化層使用鋼刷清理干凈，避免氧化層未清理干凈對鈷基堆焊層焊接產(chǎn)生影響。

（2）閘板焊前、焊后無損檢驗：閘板堆焊鈷基合金焊前、焊后必須做PT檢驗，并嚴格執(zhí)行缺陷驗收標準。在制造廠的技術(shù)要求中，鈷基堆焊焊縫作為密封焊縫，執(zhí)行RCC-M 2007 S7700中的密封焊縫PT驗收準則，其中，核1、2級焊縫的焊坡口區(qū)、焊縫區(qū)不允許存在缺陷顯示，對焊縫的外觀質(zhì)量要求嚴格，不得有夾雜、收弧點凹坑、磕碰或劃傷等缺陷。

（3）閘板焊前、焊后尺寸檢驗：依據(jù)制造廠的設(shè)計和工藝要求進行閘板焊前焊后鈷基合金尺寸和粗糙度的檢驗。零件圖規(guī)定了坡口的幾何尺寸（如寬度、厚度、外緣直徑等）和表面粗糙度；此外，制造廠還特別規(guī)定坡口表面不得有缺肉、劃傷或磕碰等外觀缺陷。閘板鈷基合金焊前、焊后尺寸和粗糙度等對焊縫的成形質(zhì)量和最終使用性能都有重要影響。

5 核島主蒸汽隔離閥閘板焊接技術(shù)改進后的應(yīng)用及效果

采用改進后的閘板焊接工藝，在后續(xù)閘板焊接過程中，焊接質(zhì)量穩(wěn)定可靠，目視檢查、無損檢測、尺寸檢查等指標全部合格（見圖9）。產(chǎn)品焊縫焊接驗證證明，采用改進后的焊接工藝方案，閘板堆焊焊縫一次合格率達到100%，基本解決了主蒸汽隔離閥閘板鈷基堆焊裂紋缺陷等焊接難題。

圖9 閘板（精加工后成品）Fig.9 Ram（finished product）

6 結(jié)論

核島主蒸汽隔離閥閘板堆焊產(chǎn)生貫穿性的裂紋，主要由于焊接接頭的應(yīng)力影響、異種鋼焊接、焊接結(jié)構(gòu)不對稱、堆焊面積大、焊接層數(shù)多、冬季施焊溫差大等各種因素綜合影響產(chǎn)生的。在優(yōu)化閘板堆焊的焊接結(jié)構(gòu)、焊接層數(shù)、焊接參數(shù)、焊接及焊后的熱處理、細化焊前要求、加強過程質(zhì)量控制下，注意在實際焊接中及時補熱、焊后及時緩冷等。通過控制焊前預(yù)熱、焊接中的工藝參數(shù)、后熱及焊后熱處理、嚴格執(zhí)行細化的工藝文件等，閘板裂紋問題基本得以解決。