單層均質電渣堆焊在VVER型核電機組穩壓器上的應用

吳 慶

(江蘇核電有限公司，江蘇 連云港 222042)

表1 兩種堆焊工藝的技術和經濟指標[6]Table 1 Technical and economic indicators of different surfacing process [6]

20世紀80年代俄羅斯研發了НП-03Х22Н11Г2Б焊帶和ФЦ-18熔煉焊劑的單層均質電渣堆焊材料[5]，但因其質量不穩定，熔敷金屬中碳含量不能始終滿足≤0.04%的要求，無法保證穩定的抗晶間腐蝕性能，因此單層均質電渣堆焊未能在主設備上真正使用。為使該工藝能實際應用到VVER型核電機組主設備上，從2007年起，俄羅斯中央材料院和伊佐爾廠開展了多種焊材組合的試驗，最終選用ESAB公司的OK Band 11.72 (309LNb ESW)焊帶和OK Flux 10.10焊劑完成了單層均質防腐層電渣堆焊工藝的研究和開發。經論證其具有優良的堆焊質量，可以用于VVER型核電機組穩壓器內部防腐蝕層堆焊上。

1 單層均質電渣堆焊焊接工藝選擇

1.1 焊材選擇

根據多種牌號焊材組合的試驗結果，OK Band 11.72焊帶和OK Flux 10.10焊劑焊接得到的熔敷金屬化學成分與НП-03Х22Н11Г2Б焊帶匹配ФЦ-18焊劑的熔敷金屬成分類似，并且熔敷金屬中的鐵素體含量為4%～8%，兩者焊材熔敷金屬的化學成分見表2。

表2 單層均質防腐層熔敷金屬化學成分Table 2 The chemical composition of the deposited metal of the single-layer homogeneous anti-corrosion layer

電渣堆焊要求熔渣池具有導電性，提高焊劑中氟化物含量可以增加渣池的電導率，氟化物含量超過50%為熔渣熔化[4]，OK Flux 10.10焊劑中CaF2比例為63%[7]。

1.2 施加外部磁場 保證焊道成型

電渣堆焊的電流從焊帶平行地流向熔池尾部，所產生的力使熔渣和熔融金屬從熔池的邊緣向中心移動，造成焊道邊緣處熔融金屬不足而產生咬邊。通過施加外部磁場，產生等于或略大于焊接流體力的反向洛倫茲力，來保證將熔融金屬均布到焊道邊緣部位，消除沿其邊緣和搭接處的凹陷和咬邊，獲得表面成型良好的焊道。

外部磁場的電流越大，熔融金屬向邊緣的流動性越大，但母材稀釋率也隨之增加，因此外部磁場僅需弱到不產生咬邊即可，并且外加磁場的電流與焊帶寬度成正比，小于50 mm寬的焊帶無需外加磁場。洛倫茲力與外部磁場的關系見表3，2 A的電流通過線圈產生700 dyn/cm的力，該力可以完全滿足熔渣和熔融金屬的流動力，不會產生咬邊[4]，堆焊表面質量如圖1所示。

圖1 熔敷金屬表面質量Fig.1 Surface quality of the deposited metal

表3 電磁線圈電流與洛倫茲力之間的關系Table 3 The relationship between the current through the electromagnetic coil and Lorentz force

1.3 確定焊接工藝參數

電渣堆焊焊接工藝參數與焊道高度、母材稀釋率以及鐵素體含量之間關系密切。焊道高度隨著電流、電壓的增大而增加，與焊接速度成反比；母材稀釋率隨著電壓的增加而減少，與焊接速度成正比；鐵素體含量與電流和電壓成正比，與焊接速度呈線性下降關系[4]。經試驗，不同截面尺寸焊帶的電渣堆焊最佳焊接工藝參數見表4。

表4 不同截面尺寸焊帶最佳焊接工藝參數Table 4 Optimal welding parameters of welding strips with different cross-section sizes

2 堆焊質量驗證

為了驗證OK Band 11.72焊帶和OK Flux 10.10焊劑的熔敷金屬是否能夠滿足VVER型核電機組穩壓器內表面防腐蝕層的質量要求，在試板上進行了連續單層焊道的熔敷，取樣并對試樣進行45 h的620～660 ℃回火熱處理，進行了相關驗證實驗。

2.1 金相組織

熔敷金屬的微觀組織：熔合區是10～50 μm寬的低碳馬氏體組織過渡層如圖2(a)所示，熱處理后該過渡層增加到15～60 μm如圖2(b)所示，表明熱處理后增加不大。初始狀態熔敷金屬是帶有鐵素體相的奧氏體組織，δ鐵素體以分散沉淀和網狀碎片的形式呈現如圖3(a)所示，經回火熱處理后僅極少部分δ相鐵素體轉化為σ相如圖3(b)所示，表明初始狀態和熱處理后熱影響區的組織均未改變。

圖2 熔合區微觀組織Fig.2 The microstructure of the fusion zone

圖3 熔敷金屬微觀組織Fig.3 The microstructure of the deposited metal

圖4為堆焊層在初始狀態和熱處理后顯微硬度的變化。圖中陡峭的曲線突變是低碳馬氏體組織熔合區；熱影響區顯微硬度增加，隨著離開熔合線的距離越遠，顯微硬度下降，熱處理后熱影響區的塑性性能增加，熔敷金屬回火熱處理后顯微硬度有一定增加。

圖4 堆焊層顯微硬度變化Fig.4 Changes in the micro-hardness of the surfacing layer

2.2 機械性能

熔敷金屬機械性能實驗證明其機械性能能夠滿足要求，見表5。初始狀態和熱處理后帶母材和熔敷金屬的靜態彎曲試樣沿著和垂直于堆焊方向切割，試樣正面彎曲的彎曲角度為40°，側面彎曲的彎曲角度為30°，靜態彎曲實驗結果證明在拉伸表面、側面以及熔敷金屬與母材的熔合區均未發現裂紋、分層和其他缺陷。

表5 熔敷金屬試樣機械性能Table 5 Mechanical properties of the deposited metal samples

2.3 抗晶間腐蝕性能

OK Band 11.72焊帶屬于超低碳不銹鋼，并添加了鈮元素，鈮/碳≥12[8]。抗晶間腐蝕試驗按照俄羅斯標準ГОСТ 6032—2003，采用АМУ法對熔敷金屬初始狀態和熱處理后的樣品進行實驗，結果證實熔敷金屬具有良好的抗晶間腐蝕性能。

2.4 抗熱裂紋性能

熔敷金屬中鐵素體含量是決定熱裂紋敏感性的關鍵指標[3，4]，如果組織中有少量鐵素體，則抗裂性會顯著提高，因為鐵素體破壞了奧氏體晶粒的連續性，變為橫晶，成為奧氏體晶體之間的中間層[9]。因此，要求熔敷金屬中鐵素體含量必須在2%～8%區間。

檢驗熔敷金屬是否具備抗熱裂紋性能還需通過抗熱裂性實驗，用4～7倍的放大鏡在熔敷金屬酸蝕后的宏觀磨片上進行檢查，實驗結果表明，無論是在初始狀態還是在最長的回火熱處理周期后的宏觀磨片上都未發現熱裂紋。

2.5 熱影響區再熱裂紋傾向

傳統的雙層埋弧堆焊曾發現過在珠光體鋼熱影響區中出現層下裂紋的情況，這種層下裂紋容易在多道焊的后續焊道對前面焊道的熱影響或焊后熱處理的熱循環作用而形成[10]。電渣堆焊由于熱輸入線能量較埋弧堆焊低，并且熔合區窄，熱影響區組織不易發生變化，因此相比埋弧焊產生再熱裂紋的幾率低[11]。母材去除防腐層后焊道搭接區域試樣彎曲實驗也證明了未發現層下裂紋。

2.6 焊接缺陷

與埋弧焊相比，電渣堆焊由于焊道被高溫熔渣覆蓋，焊縫金屬凝固速率較低，有利于氣體和夾雜類的上浮，因此熔敷金屬中非金屬夾雜少，氣孔類和夾渣類缺陷少[4]。外加磁場可以獲得成型良好的焊道邊緣和浸潤角，消除咬邊。無損檢測證明了熔合區和熔敷金屬內部很少產生未熔合和夾渣類缺陷。

3 問題改進

雖然單層均質電渣堆焊具有上述很多優點，但實際施焊前還需注意以下內容，才能獲得高質量的堆焊層。

1)熔敷金屬化學成分檢測取樣位置：因為單層均質熔敷金屬必須反映母材稀釋的作用，代表熔敷金屬中合金化元素的實際含量(特別是鉻元素)，因此焊材入廠復驗的化學成分檢測取樣位置應在只堆焊一遍熔敷金屬上取樣，而不能在堆焊多遍的熔敷金屬上取樣。

2)合理調整磁控裝置電流：由于需要采用外加磁控裝置來防止咬邊，實際施焊時必須合理布置磁極位置，分別調整南、北兩個磁極的磁控電流，通過試焊觀察焊道的浸潤角和表面成型狀況來確定兩邊激磁電流各自的大小，保證電流盡可能地小。

3)返修焊材：目前還無匹配的單層均質返修焊材，對于熔合區缺陷的返修仍需采用Св-07X25H13和Св-04X20H10Г2Б焊絲的雙層氬弧堆焊，或對應的藥皮焊條手工電弧焊。

4)避免熔合區未熔合：由于母材熔深淺，操作不當或焊接工況調整不當會出現與熔合區或道間未熔合的可能性。實際電渣堆焊的缺陷大多屬未熔合缺陷，避免了未熔合缺陷，也就避免了焊縫返修。

5)在其他主設備上的應用：由于單層均質電渣堆焊熔敷層厚度僅為5 mm左右，無法直接推廣應用到需要進行內表面防腐蝕層機加工的主設備上，如反應堆壓力容器和蒸汽發生器集流管。由于單層均質堆焊熔敷金屬中缺陷少、熱輸入小對母材產生的熱影響小以及焊接應力小等優點，因此應用在上述設備上能夠避免上述設備在役期間易出現的問題。針對這些主設備的單層均質堆焊可以采用堆焊兩層均質防腐層的方式，但需開展后續實驗研究。

6)焊帶中鈮含量的控制：焊帶屬超低碳不銹鋼，并且高含量的鈮進入熔合區會有層下裂紋的風險，因此鈮含量應取下限。特別要通過無損檢測的方法檢測熔合區和熱影響區是否有層下裂紋。

4 結論

實驗證明OK Band 11.72焊帶與OK Flux 10.10焊劑的電渣堆焊單層均質防腐蝕層具有良好的綜合機械性能、抗晶間腐蝕能力和穩定的抗熱裂紋形成能力，并且非金屬夾雜少，不易形成氣孔、未熔合、夾渣、再熱裂紋等缺陷，可以用于VVER型核電機組穩壓器和安注箱的制造。目前單層均質防腐蝕層電渣堆焊工藝已在國內4臺VVER機組核電機組穩壓器上得到應用。