核電用SA508 Gr.3 Cl.1鋼窄間隙埋弧焊劑的研制

曾志超 ，張曉柏 ，毛興貴 ，黃逸峰 ，楊 飛 ，徐曉龍 ，余 燕

（1.四川大西洋焊接材料股份有限公司，四川自貢643010；2.上海核工程研究設計院，上海200233）

0 前言

近年來，隨著核反應堆功率的不斷增大、核電安全等級的進一步提升，對反應堆壓力容器等核一級設備的綜合性能提出了更高要求。SA508 Gr.3 Cl.1鋼焊接性能優良，高溫強度和抗疲勞強度高，低溫沖擊韌性好，抗中子輻照性能優異，作為主要承壓材料廣泛用于三代及三代加核電的反應堆壓力容器堆芯、筒體等關鍵部位[1-3]。核一級設備壁厚一般為140～250 mm，目前主要采用窄間隙埋弧焊工藝，可減小焊接過程所需熱量，降低焊接變形和殘余應力，提高生產效率、降低成本。

潘川、田志凌等人研制了核二級設備用20MnHR鋼配套埋弧焊絲H08MnNiMoA、焊劑105HR，并用于秦山核電二期[4]。長期處于強輻照區的焊縫金屬中Cu、Ni、P、Co等元素對材料的抗輻照脆化能力產生不利影響[5]，故應嚴格限制Cu、P等微量雜質元素含量，熔敷金屬w（Ni）通常不大于0.8%。薛松柏等人認為采用高堿度的燒結焊劑可使熔敷金屬的O、S、P等雜質元素與擴散氫含量較低，有利于低溫沖擊韌性與抗裂性[6-8]。

目前用于核一級設備制造和安裝的關鍵焊材仍主要由國外制造商供貨，國產核級焊材在產品性能和穩定性方面仍存在一定差距，主要體現在產品焊接范圍窄、力學性能數據波動大、多批次產品質量穩定性不足等。另一方面，采用進口焊材存在供貨周期長、生產過程中溝通和監管困難、價格高昂等缺點，成為制約我國核電發展的瓶頸之一[9]。在此背景下，由國家科技部、能源局等單位發起，上海核工院牽頭，大西洋作為主要聯合單位，圍繞核級焊材國產化開展了一系列技術攻關，取得了較好的效果。本研究針對核一級設備用SA508 Gr.3 Cl.1鋼，采用研制的窄間隙埋弧焊劑與配套埋弧焊絲在較寬的焊接參數范圍內焊接，比較分析工藝性能和力學性能的變化。

1 試驗材料與方法

采用研制的燒結焊劑CHF112HRF配合埋弧焊絲CHW-S55HRF（規格φ4.0）組合焊接，焊劑為高堿度氟堿型CaF2-MgO-CaO-Al2O3渣系（BIIW=2.8），焊絲和焊劑化學成分如表1、表2所示。根據核電裝備制造埋弧焊常用參數，在母材SA508 Gr.3 Cl.1（δ=20 mm）表面平焊，分別研究焊接電流、焊接速度在較寬范圍內變化時對焊接工藝性能的影響，焊接參數如表3所示。

表1 埋弧焊絲化學成份%

表2 燒結焊劑主要化學成分 %

表3 焊接工藝性能試驗焊接參數

采用常規焊接參數按照ASME第Ⅱ卷C篇的要求焊接試板，坡口示意如圖1所示，常規焊接參數如表4所示。焊接完成后對試板進行去氫處理，熱處理參數：350℃、保溫4 h，再對試板進行去應力熱處理，熱處理參數：607℃、保溫40 h，進出爐溫度低于425℃，溫度在425℃以上時升降溫速率不得超過55℃/h。使用光電直讀光譜儀SPECTROLAB M10分析熔敷金屬化學成分，采用水銀法擴散氫測定儀MF-1測定熔敷金屬擴散氫含量，測試熱處理態熔敷金屬的室溫拉伸、350℃高溫拉伸性能、低溫沖擊韌性，分析微觀組織，同時分別研究焊接電流、焊接速度、道間溫度在較寬范圍內變化時對熱處理態熔敷金屬力學性能的影響。

圖1 焊接試板坡口示意

表4 試板焊接常規參數

2 試驗結果與分析

2.1 焊接工藝性能

通過調整熔渣粘度、表面張力、熔點等，獲得了堿度高且焊接工藝性能良好的焊劑配方。按照表3中焊接參數，當焊接電流、焊接速度等參數在較寬范圍內變化時，渣殼均能自動脫落，焊縫表面光亮、成形美觀，焊縫與母材過渡平滑，大規范焊接時焊縫表面形貌如圖2所示。

圖2 大規范焊接時焊縫成形與脫渣（I=620 A，線能量28.6 kJ/cm）

2.2 熔敷金屬化學成分與擴散氫含量

熔敷金屬的 S、P、Sn、As、B、Cu、Co等雜質元素含量較低，實現了較窄區間的合金元素成分穩定控制，完全滿足NB/T 20009.10中熔敷金屬代號F2G要求，化學成分如表5所示。按照GB/T 3965-2012熔敷金屬中擴散氫測定方法，采用水銀法測定熔敷金屬擴散氫含量平均值為2.32 mL/100 g。

2.3 常規焊接參數的熔敷金屬力學性能

采用常規焊接參數獲得的熔敷金屬力學性能見表6，低溫沖擊韌性轉變曲線如圖3所示。

表5 熔敷金屬化學成分 %

表6 熔敷金屬力學性能

圖3 熱處理態熔敷金屬低溫沖擊韌性轉變曲線

由表6可知，熱處理態條件下熔敷金屬室溫拉伸、350℃高溫拉伸性能、低溫沖擊韌性均滿足技術要求，且有較大余量。熱處理態熔敷金屬低溫沖擊韌性儲備充足，-80℃時低溫沖擊功仍大于80J。

2.4 寬焊接參數變化與熔敷金屬力學性能穩定性

當其他參數（電壓30 V，焊接速度500 mm/min，道間溫度200℃）一定，焊接電流在500～620 A范圍內變化時，熔敷金屬室溫、350℃抗拉強度、屈服強度隨焊接電流的增加總體比較穩定；3℃、-30℃沖擊功均值有較大余量，隨焊接電流增加呈增加趨勢。熔敷金屬強度、沖擊韌性隨焊接電流的變化結果如圖4所示。

熔敷金屬拉伸強度、沖擊韌性隨焊接速度的變化結果如圖5所示。當焊接速度在450～550 mm/min范圍內變化，其他焊接參數（電流560 A，電壓30 V，道間溫度200℃）一定時，熔敷金屬室溫、350℃抗拉強度隨焊接速度的增加小幅增加，屈服強度變化不大；沖擊功隨焊接速度增加呈增加趨勢，均值大于100 J。

當道間溫度在200～320℃范圍內變化，其他參數（電流560 A，電壓30 V，焊接速度 500 mm/min）一定時，熔敷金屬室溫、350℃抗拉強度、屈服強度隨道間溫度的變化不大；低溫沖擊韌性隨道間溫度增加呈小幅增加趨勢，且有較大余量。道間溫度對熔敷金屬力學性能的影響如圖6所示。

圖4 焊接電流對熔敷金屬力學性能影響

圖5 焊接速度對熔敷金屬力學性能影響

圖6 道間溫度對熔敷金屬力學性能影響

2.5 熔敷金屬微觀組織

熔敷金屬蓋面層與層間重熱區微觀組織形態如圖7所示。蓋面層與層間重熱區組織基本相同，均為粒狀貝氏體+鐵素體組織，其中鐵素體組織以針狀鐵素體（AF）和沿晶界的塊狀先共析鐵素體（PF）為主。多層多道焊接時，相鄰焊層之間彼此具有熱處理作用，多次熱處理的疊加使層間重熱區晶粒更細小。

圖7 埋弧焊材（CHW-S55HRF+CHF112HRF）熔敷金屬微觀組織

3 結論

（1）研制的窄間隙焊劑配合專用焊絲埋弧焊接，在較寬的焊接電流、焊接速度范圍內，具有優異的焊接工藝性能。

（2）通過合理的渣系選擇與配方設計，焊劑在較寬的焊接電流、焊接速度、道間溫度等焊接參數范圍內變化焊接時，熔敷金屬熱處理態力學性能均滿足技術要求，數值余量大，且波動較小，具有較好的工程實用性。

（3）熔敷金屬微觀組織為粒狀貝氏體+鐵素體。