SA517 Gr.B焊接工藝

宋聚海，肖 笑，李美琳

（1.山東核電設備制造有限公司，山東海陽265118；2.河南科技大學材料科學與工程學院，河南洛陽471003）

SA517 Gr.B焊接工藝

宋聚海1，肖 笑2，李美琳1

（1.山東核電設備制造有限公司，山東海陽265118；2.河南科技大學材料科學與工程學院，河南洛陽471003）

采用E11018-G和E12018-G兩種不同強度的焊材，對SA517Gr.B高強鋼進行焊接工藝試驗研究，進行拉伸試驗、側彎試驗和沖擊彎試驗。結果表明，E11018-G和E12018-G焊接材料均能夠滿足SA517 Gr.B鋼材的焊接技術要求，采用E11018-G可有效降低接頭焊接應力，降低焊縫裂紋敏感性，提高焊縫質量穩定性。

SA517Gr.B；E11018-G；E12018-G；焊接工藝

0 前言

某大型三代先進壓水堆核電站核級模塊在設計制造時使用到SA517 Gr.B鋼材，厚度31.75 mm，這是標準中規定的最大厚度值，在ASMEⅨ材料分類中為P-NO.11B Group No.4。由于SA517 Gr.B焊接接頭的強度級別較高，低溫沖擊韌性要求較高，在產品焊接制造過程中，焊接的一次性合格率不高，多有裂紋性質缺陷，焊接接頭的質量穩定性較差，因此有必要對SA517 Gr.B焊接工藝進行研究。在實際產品制造過程中產生的焊縫裂紋缺陷如圖1所示。

圖1 SA517 Gr.B焊縫裂紋缺陷Fig.1Cracking in weld of SA517 Gr.B

1 SA517 Gr.B低合金調質鋼及其焊接性

ASME材料標準中，SA517 Gr.B材料的抗拉強度要求為795～930 MPa，調質狀態下供貨和使用。其特點是含碳量較低、強度高、兼有優良的塑性和韌性，可直接在調質狀態下焊接成形，焊后無需調質處理。為保證良好的焊接性和使用性能，通常要求SA517 Gr.B中w（C）≤0.21％。雖然含碳量較低，但由于各種合金元素的加入增加了其碳當量，使其焊接性變差；另一方面，在焊接過程中較高的抗拉強度會產生較明顯的局部應力集中問題，增大了焊接裂紋敏感性。

SA517 Gr.B鋼板化學成分如表1所示，依據國際焊接學會ⅡE規定的碳當量公式，計算SA517 Gr. B鋼的碳當量為：

Ceq=C+Mn/6+（Cr+Mo+V）/5+（Ni+Cu）/15≈0.484

碳當量在0.4～0.6之間，焊接時淬硬傾向較大，易于生成淬硬組織，需要預熱及后熱處理，以避免產生焊接冷裂紋。

SA517 Gr.B鋼板的力學性能如表2所示。

表1 SA517 Gr.B母材化學成分Table 1Chemical compositions of SA517 Gr.B ％

表2 SA517 Gr.B力學性能Table 2Mechanical character of SA517 Gr.B

鋼材含碳量較低，w（Mn）/w（S）較大，熱裂紋傾向較小，淬火后易得到低碳馬氏體。在低碳馬氏體轉變溫度約390℃時，如果冷卻較慢，則生成的馬氏體，可進行一次“自回火”處理，得到韌性較好的回火馬氏體，有效避免冷裂紋的產生；若冷卻速度較快，得不到“自回火”效果，則冷裂傾向增大[1]。HAZ受焊接過程加熱和冷卻速度的影響，易形成軟化帶和脆性組織[2]，主要原因是t8/5增加時引起了粗大晶粒，在HAZ會形成上貝氏體M-A組元，降低HAZ韌性，增加脆性。

2 焊接試驗

2.1 試件焊接

分別采用E11018-G和E12018-G兩個不同強度級別的焊材進行焊接試驗。按照ASME焊接填充材料標準，E11018-G最低抗拉強度為760 MPa，用于SA517 Gr.B焊接屬于“低強匹配”焊接接頭，這種“低強匹配”在民用設施建造中已廣泛應用，但在核電建造行業中，目前尚無應用實例，其在核電建造方面的應用有待于進一步的試驗研究和驗證。為滿足與母材強度的匹配性，本研究的E11018-G焊材在滿足焊接材料標準的基礎上，增加了抗拉強度力學性能要求，規定抗拉強度最低值為795 MPa。在滿足ASME規范要求的基礎上，提高技術要求是符合ASME建造規范體系要求。

兩種焊材的化學成分如表3所示，力學性能如表4所示。

表3 焊材化學成分Table 3Chemical compositions of welding material ％

表4 試驗用焊材力學性能Table 4Mechanical character of welding material

2.2 焊接接頭及工藝參數

SA517 Gr.B焊接試板規格為500 mm×200 mm× 31.75 mm，單面V型坡口，施焊位置為立向上焊3G位置。焊接時預反變形，焊前預熱，焊接過程中嚴格控制層間溫度，層間溫度過高會使熱影響區冷卻速度緩慢，形成馬氏體+奧氏體混合組織和粗大的貝氏體，降低強度，韌性變差[3]。而過高的熱輸入會降低接頭的沖擊韌性和強度[4]，本研究焊接過程中最大線能量為30 kJ/cm。根據文獻[5]，采用E12018-G焊條時，預熱溫度為150℃；使用E11018-G焊條時，預熱溫度為100℃。本研究采取焊前預熱，并配合后熱來改善HAZ韌性，綜合考慮實際產品制造過程中局部熱處理的困難程度，對焊接試件進行免除焊后熱處理。試件接頭形式如圖2所示，焊接參數如表5所示。

圖2 焊道分布示意Fig.2Schematic of weld interpass

表5 焊接參數Table 5Welding parameters

2.3 后熱處理

SA517 Gr.B為淬火+回火處理的低合金調質鋼，后熱處理過程中如果加熱溫度超過回火溫度，則鋼板失去調質效果，其強度和韌性都會受到影響。本研究對焊接試件采取了預熱溫度下保溫2 h后緩冷的后熱處理。

3 試驗和結果分析

主要進行拉伸、側彎、焊縫金屬沖擊（-20℃）、熱影響區沖擊（-20℃）試驗。采用E11018-G和E12018-G焊材焊接的試件編號分別為T1、T2。

3.1 拉伸試驗

E11018-G、E12018-G兩種焊材焊接的試件各取2件試樣進行拉伸試驗，結果見表6。

表6 拉伸試驗Table 6Tensile test

由表6可知，采用E11018-G和E12018-G焊材的焊縫強度均滿足母材抗拉強度要求，采用E11018 -G焊接試件的抗拉強度低于E12018-G焊接試件的抗拉強度。

對SA517 Gr.B這類低合金高強鋼而言，在滿足母材強度匹配條件下，焊接接頭強度越低，越能較好地控制焊接冷裂紋產生。降低焊縫殘余應力和預熱溫度，是解決高強鋼焊接性難題的有效途徑。

3.2 彎曲試驗

對E11018-G和E12018-G焊材焊接的試件分別取4件試件進行側彎試驗，側彎后受檢面形貌如圖3和圖4所示。E11018-G焊材的試件彎曲后，凸面焊縫和熱影響區任何方向上都沒有開口缺陷。采用E12018焊材的試件彎曲后，其中3件沒有開口缺陷，1件在焊縫根部熔合區存在1處2.60 mm的開口缺陷，在合格范圍內。對2.60 mm開口缺陷進行斷口分析，斷口形貌如圖5所示，呈準解理斷裂并帶有韌窩特征，可見粗大扁平的韌窩、解理臺階和局部的小氣孔，部分韌窩中有少量夾雜物。

圖3 T1側彎試驗試樣Fig.3Bend test samples of T1

圖4 T2側彎試驗試樣Fig.4Bend test samples of T2

圖5 斷口形貌Fig.5Fracture appearance

試驗結果表明，E11018-G焊材強度相對較小，延展性相對較好，滿足母材綜合機械性能要求，更適用于SA517 Gr.B材料的焊接。

3.3 沖擊試驗

對E11018-G和E12018-G焊材焊接試件的焊縫金屬及熱影響區（HAZ）分別進行了-20℃沖擊試驗，結果如表7所示。

表7 沖擊試驗Table 7Impact test -20℃

采用E11018-G和E12018-G焊材的沖擊性能均能滿足標準和設計技術要求。采用E12018-G焊材的焊縫和熱影響區沖擊試驗值偏低，原因是采用的規范參數稍大，從而造成對焊縫金屬的熱輸入量偏大。

4 結論

（1）E12018-G用于SA517 Gr.B材料焊接時，焊接接頭強度較高，焊縫金屬裂紋敏感性高。

（2）采用E11018-G焊材可有效降低微裂紋產生概率，獲得綜合性能良好的焊接接頭。

（3）為滿足SA517 Gr.B材料焊接接頭的強度匹配要求，采用E11018焊材焊接時，需在標準基礎上提高焊材最低強度要求。

[1]熊臘森.焊接工程基礎[M].北京：機械工業出版社，2005：209-209.

[2]陳祝年.焊接工程師手冊[M].北京：機械工藝出版社，2008.

[3]徐剛，呂龍，王子偉，等.SA-738M Gr.A調質鋼的焊接[J].電焊機，2012，42（11）：88-102.

[4]蘇琳，周恒洋.淺談壓力容器焊接質量控制[J].低溫與特氣，2006，24（6）：22-23.

[5]孫俊峰，王金，鄒慶彬.壓水堆核電項目用SA517 Gr.B鋼板焊接接頭抗裂性能研究[J].焊接，2012（12）：61-64.

[6]武軍.壓力容器焊后熱處理分析[J].工業技術，2012（8）：80.

[7]ASMEⅨ-2015，Qualification Standard for Welding and Brazing Procedures，Welders，Braziers，and Welding and Brazing Operators[S].

[8]ASMEⅡPart C-2015[S].

Study on the welding procedure of SA517 Gr.B

SONG Juhai1，XIAO Xiao2，LI Meilin1
（1.Shandong Nuclear Power Equipment Manufacturing Co.，Ltd.，Haiyang 265118，China；2.School of Material Science &Engineering，He’nan University of Science and Technology，Luoyang 471003，China）

The welding procedure of SA517Gr.B was studied based on the two different welding consumables E11018-G and E12018-G which has different strength in this paper.Tension test，guided-bend test and notch-toughness test were done，and the results show that both E11018 and E12018 are meet the welding technical requirements of SA517 Gr.B.E11018-G can reduce the welding stress and cracking sensibility，and gain steady-quality weld.

SA517 Gr.B；E11018 G；E12018 G；welding process

TG457.11

B

1001－2303（2017）01－0092-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.01.17

獻

宋聚海，肖笑，李美琳.SA517 Gr.B焊接工藝[J].電焊機，2017，47（1）：92-95.

2015-08-23；

2016-07-25

宋聚海（1984—），男，山東菏澤人，碩士，工程師，主要從事核電設備、容器焊接工藝及特種焊接材料的研發工作。