低合金鋼自動回火焊接過程中熱影響區組織轉變

葉義海 ，羅緒珍 ，王 建 ，付榮真 ，張江濤 ，王 理，宋怡漾，朱勇輝，潘曉冬

（1.中國核動力研究設計院反應堆燃料及材料重點實驗室，四川成都 610041；2.中核核電運行管理有限公司，浙江海鹽314300）

0 前言

早期核動力裝置中，主容器與管道連接的異種金屬焊縫大量采用Inconel-600材料，其在一回路高純水中對SCC的敏感性較高，隨著機組運行時間的延長，在承受高溫、高壓、高輻照的惡劣工況環境下，根據國際應用案例，該類焊縫容易出現腐蝕泄漏。

針對Inconel-600合金材料出現腐蝕泄露的問題，一般是在失效管道焊縫上進行一定厚度和寬度的堆焊密封，形成新的壓力邊界，加強局部出現環形裂紋的結構，防止該處缺陷出現泄露。國外經驗表明，修復堆焊層能加強焊縫結構，改善管道中的殘余應力分布，并且焊后形成的壓應力對應力腐蝕裂紋具有止裂作用，可緩解疲勞裂紋的萌生和擴展。由于低合金鋼是易淬火鋼，在維修堆焊過程中，作為焊接熱影響區的低合金鋼會產生不良淬火組織（如馬氏體、魏氏體等），該類組織硬度高、脆性大、韌性差，需進行性能熱處理予以糾正[1]。而核動力裝置維修現場的空間和條件限制決定了難以進行現場熱處理。回火焊道焊接技術是通過后續焊道對前焊道熱影響區起到的回火作用來改善熱影響區組織進而改善性能的技術[2]。回火焊道的回火效應可替代堆焊后需進行的性能熱處理。國內回火焊道維修工藝技術研究還處于起步階段，在核動力裝置維修工程應用方面未見報道。在此重點分析研究低合金鋼回火焊道焊接熱影響區組織變化，從而揭示回火焊道焊接過程中低合金鋼熱影響區的組織轉變行為，為回火焊道焊接技術在核動力裝置異種鋼接頭堆焊維修中的工程應用奠定技術基礎。

1 試驗方法

1.1 試驗材料

試驗用母材為低合金鋼SA508-3，交貨狀態為調質態，組織為粒狀貝氏體，化學成分如表1所示。試驗件規格尺寸φ150 mm×50 mm×40 mm。

試驗用焊材為鎳基合金焊絲ERNiCrFe-7A，規格φ1.0 mm，化學成分如表2所示。

表1 SA508-3鋼化學成分%

表2 ERNiCrFe-7A鎳基合金焊絲化學成分%

1.2 試驗過程

（1）試驗件制備。

試驗件制備采用自動鎢極氬弧焊，直流脈沖電流，焊接線能量0.7～1.1 kJ/mm。焊前試驗件不進行預熱處理。

試驗共制備5件試驗件，其中DHSY-TGGG-1～DHSY-TGGG-4為分別堆焊1～4層試件，DHSYTGGG-5的制備方法與DHSY-TGGG-4相同，不同的是試驗件堆焊完成后在兩端進行了特定工藝焊接處理。在回火焊道堆焊過程中，嚴格控制焊道間的搭接b/a（見圖1）和焊層間搭接尺寸S（見圖2）。

圖1 道間搭接結構

圖2 層間搭接結構

（2）微觀組織性能分析試驗。

采用4%HNO3酒精溶液對5件金相樣品進行腐蝕，在光學顯微鏡下分析堆焊熱影響區（HAZ）組織形貌。

2 試驗結果和分析

2.1 堆焊1層后的HAZ組織形貌

DHSY-TGGG-1金相樣品HAZ微觀組織觀察位置如圖3所示。

DHSY-TGGG-1金相樣品HAZ不同位置處的微觀組織形貌如圖4所示。

圖3DHSY-TGGG-1 HAZ微觀組織觀察位置

由圖3、圖4可知，堆焊1層回火焊道后的試驗件HAZ微觀組織主要為馬氏體組織。其中兩端HAZ組織為板條狀馬氏體組織（見圖4a、4c）；中間區域HAZ組織為回火馬氏體組織（見圖4b）。

圖4DHSY-TGGG-1不同位置熱影響區組織形貌

因為試驗采用的SA508-3低合金鋼屬于易淬火鋼，熱處理狀態為調質態，由圖4d可知，在焊接過程中任何1道回火焊道的焊接在該焊道的焊趾外側熱影響區均會產生完全淬火區、不完全淬火區和回火區[3]。分析認為，在焊接第1層焊道時，靠近熔合線的HAZ處在完全淬火區和不完全淬火區內。在完全淬火區內，焊接過程中該處HAZ經歷的峰值溫度可達到Ac3以上，在快速冷卻后形成的主要組織為板條馬氏體組織[4]；在不完全淬火區內，焊接過程中該處HAZ經歷的峰值溫度可達到Ac1～Ac3，快速冷卻后形成的主要組織為馬氏體和鐵素體[5]。第1層焊接時采用的是回火焊道焊接技術，后續1～2道焊道熱循環對前一焊道熔合線附近的HAZ會產生一定的回火作用，此時HAZ的馬氏體組織會脫碳分解，形成針狀含碳量相對較低α相和ε-碳化物組成的回火馬氏體組織，該組織容易腐蝕，在光學顯微鏡下呈黑色針狀組織（見圖4b）。在試驗件的兩端，由于受到的焊接熱循環次數較少，回火效果相對較差，相對應的HAZ的馬氏體組織分解不充分，以板條狀馬氏體為主（見圖4a、圖4c）。

2.2 堆焊2層后的HAZ組織形貌

DHSY-TGGG-2金相樣品HAZ微觀組織觀察位置如圖5所示。

圖5DHSY-TGGG-2 HAZ微觀組織觀察位置

DHSY-TGGG-2金相樣品HAZ不同位置處的微觀組織形貌如圖6所示。

由圖6a、6d可知，堆焊2層回火焊道后的試驗件兩端HAZ組織主要為回火馬氏體組織，并有原始奧氏體晶界出現，且晶界內存在回火馬氏體。由圖6b、6c可知，堆焊2層回火焊道后的試驗件中間區域HAZ組織主要為托氏體組織。

圖6DHSY-TGGG-2不同位置熱影響區組織形貌

在堆焊第2層時，靠近熔合線附近的HAZ處于第2層焊接時的不完全淬火區和回火區內。由于處于不完全淬火區段的時間短，只有少量組織奧氏體化，冷卻后形成馬氏體組織。在試驗件的中間區域，由于受到的焊接熱循環相對兩端較多，大部分熔合線附近HAZ的馬氏體組織繼第1層焊接后繼續分解，形成低碳α相和碳化物。由于高溫回火時間較短，低碳α相開始但還未發生復位，仍然保留著針狀低碳α相；同時第1層焊接時回火產生的ε-碳化物以及第2層焊接回火形成的ε-碳化物形核生成θ-碳化物，θ-碳化物與α相脫離形成θ-滲碳體[6]，這就形成了低碳針狀α相和θ-滲碳體機械混合的托氏體組織（見圖 6b、6c）。

試驗件的兩端：（1）相對于中間區域HAZ，兩端HAZ經歷的焊接熱循環較少，回火效果相對較差，其組織為由板條狀馬氏體分解形成針狀低碳α相和ε-碳化物組成的回火馬氏體組織。（2）在低合金鋼的焊接過程中，HAZ區域不可避免地會存在一定量的殘余奧氏體組織，同時兩端的HAZ中殘余奧氏體在200～300℃時發生脫碳分解，在原始奧氏體晶界內形成針狀低碳α相和ε-碳化物組成的回火馬氏體組織（見圖6a、6d）。由于兩端經歷熱循環相對中間區域較少，回火馬氏體來不及分解，因此兩端區域的組織還是以回火馬氏體為主。

2.3 堆焊3層后的HAZ組織形貌

DHSY-TGGG-3金相樣品HAZ微觀組織觀察位置如圖7所示。

DHSY-TGGG-3金相樣品HAZ不同位置處的微觀組織形貌如圖8所示。

由圖8a可知，第3層堆焊完成后，試驗件DHSYTGGG-3兩端HAZ組織主要由回火馬氏體組織和托氏體組織組成；由圖8b可知，堆焊3層回火焊道后的試驗件中間區域組織主要為回火索氏體和托氏體組織。

圖7DHSY-TGGG-3 HAZ微觀組織觀察位置

圖8DHSY-TGGG-3熱影響區組織形貌

在堆焊第3層時，靠近熔合線的HAZ處于第3層焊接時的回火區內。在試驗件的中間區域，由于受到的焊接熱循環相對兩端較多，回火效果較兩端充分，針狀低碳α相發生再結晶，α相晶粒長大，針狀形態消失，形成柱狀晶；此時滲碳體也在高溫回火作用下聚集成較大顆粒，在熔合線處的HAZ形成了柱狀α相與顆粒狀滲碳體機械混合的索氏體組織（見圖8b）。試驗件的兩端由于所受的焊接熱循環相對較少，回火效果相對較差，兩端熔合線附近HAZ的回火馬氏體組織部分正向托氏體轉變，因此該區域的組織主要為回火馬氏體組織和托氏體組織（見圖8a）。

2.4 堆焊4層后的HAZ組織形貌

DHSY-TGGG-4金相樣品HAZ微觀組織觀察位置如圖9所示。

圖9DHSY-TGGG-4 HAZ微觀組織觀察位置

DHSY-TGGG-4金相樣品HAZ不同位置處的微觀組織形貌如圖10所示。

由圖9和圖10可知，圖10a為試驗件DHSYTGGG-4兩端及附近區域HAZ微觀組織；圖10b為試驗件DHSY-TGGG-4中間區域HAZ微觀組織。第4層堆焊完成后，試驗件DHSY-TGGG-4兩端HAZ組織主要仍為回火馬氏體和回火托氏體組織，且原始奧氏體晶界再次出現（見圖10a）；堆焊4層回火焊道后的試驗件中間區域組織主要為回火索氏體組織和回火托氏體組織（見圖10b）。

在焊接第4層時熔合線附近的HAZ處于第4層焊接的高溫回火區外側，試驗件中間區域的高溫回火組織基本保持不變，仍以回火索氏體和回火托氏體為主。試驗件兩端未分解徹底的殘留奧氏體在200～300℃繼續分解，在原始奧氏體晶界內形成針狀低碳α相和ε-碳化物組成的回火馬氏體組織，（見圖10a）。由于第4層離兩端熔合線HAZ較遠，兩端回火溫度較低，同時兩端經歷熱循環較少，回火馬氏體來不及分解，因此在第4層焊接完成后，在兩端熔合線附近HAZ組織仍有回火馬氏體組織和原始奧氏體晶界。

2.5 增加補充回火焊道后的HAZ組織形貌

增加補充回火焊道后的試件（DHSY-TGGG-5）兩端焊趾附近HAZ微觀組織形貌如圖11所示。

圖10DHSY-TGGG-4熱影響區組織形貌

由圖11可知，增加補充回火焊道后，試件兩端焊趾附近HAZ不良組織得到充分糾正，其組織形貌為回火索氏體和回火托氏體。

圖11DHSY-TGGG-5焊趾附近熱影響區組織形貌

這是因為試件兩端焊趾附近區域因高溫回火累積時間不足造成回火不充分[6]，使得首層堆焊在熱影響區產生內馬氏體以及由于熱影響區內的殘余奧氏體分解產生的馬氏體等不良組織未得到完全糾正。而本研究在試件兩端焊趾附近增加補充回火焊道，增加了兩端焊趾附近HAZ高溫回火累積時間，使得該處的熱影響區高溫回火徹底，消除不良組織。

3 結論

（1）首層堆焊會使SA508-3鋼熱影響區產生淬火馬氏體轉變，同時殘留一定量的原始奧氏體。

（2）該淬火馬氏體組織和原始奧氏體在隨后的堆焊層焊接熱過程中會發生回火轉變，并隨焊層的增加，轉變效應累積，最終熱影響區的淬火不良組織得以完全糾正。

（3）試件兩端局部不良組織可通過特定工藝焊接予以消除。

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