ER90S-G焊絲接頭力學(xué)性能出現(xiàn)差異的原因

丁嚴(yán)廣, 李 健, 孫盛業(yè)

(山東核電設(shè)備制造有限公司, 海陽 265100)

模塊化設(shè)計和施工是第三代大型先進(jìn)非能動壓水堆核電機(jī)組AP1000具有的不同于以往核電設(shè)計技術(shù)的先進(jìn)理念[1]。模塊化施工需要大量的焊接作業(yè)，因此焊接接頭的質(zhì)量直接決定著核電站的運行安全。鋼制安全殼(CV)作為核電站的一道重要保護(hù)屏障，擔(dān)負(fù)著阻止核電站內(nèi)部向環(huán)境釋放裂變產(chǎn)物的重任[2]。CV作為一個特大壓力容器(容器內(nèi)徑為39.6 m，容器總高為65.6 m)，實行工廠模塊化預(yù)制后在現(xiàn)場焊接拼裝，不僅降低運輸難度，同時可以保證產(chǎn)品質(zhì)量[3-5]。ER90S-G低合金鋼焊絲作為CV拼接用的焊材，對其質(zhì)量的要求非常嚴(yán)格。因此，焊材復(fù)驗管理是CV整體質(zhì)量保證中非常重要的一環(huán)。

在對某一批次規(guī)格為φ1.2 mm的ER90S-G焊絲入廠驗收時，檢測人員經(jīng)室溫拉伸試驗發(fā)現(xiàn)采用該焊絲焊接試樣的抗拉強(qiáng)度為740 MPa，超過公司采購依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)ASME Ⅱ SFA 5.28: 2013SpecificationforLow-alloySteelElectrodesandRodsforGasShieldedArcWelding的要求范圍(585～735 MPa)。按照標(biāo)準(zhǔn)的要求，可以加倍取樣進(jìn)行復(fù)驗，因此焊接人員采用同樣的焊接參數(shù)重新焊接板狀試樣，后續(xù)重新機(jī)加工制取試樣，再對其進(jìn)行拉伸試驗，抗拉強(qiáng)度分別為650 MPa和640 MPa，符合ASME Ⅱ SFA 5.28:2013的技術(shù)要求。為分析前后兩次試驗抗拉強(qiáng)度存在差異的原因，筆者通過試驗進(jìn)行了深入分析，以期為后續(xù)的焊材復(fù)驗提供參考。

1 試驗材料與試驗方法

1.1 試驗材料

試驗采用A36鋼板作為待焊材料，厚度δ=19 mm。開45° V形坡口對接，坡口間距為13 mm，具體的坡口形式和焊道布置如圖1所示。所用焊材為ER90S-G焊絲，規(guī)格為φ1.2 mm，按表1所示的焊接參數(shù)焊接兩塊試樣，分別編號為1號和2號試樣。

圖1 坡口形式與焊道布置示意圖Fig.1 Diagram of groove design and welding sequence

表1 焊接參數(shù)Tab.1 Welding parameters

1.2 試驗方法

在1號和2號試樣的焊縫部位沿軸向分別取一根和兩根棒狀拉伸試樣，試樣直徑為12.5 mm，長度為100 mm,根據(jù)AWS B4.0M：2000StandardMethodsforMechanicalTestingofWelds的技術(shù)要求進(jìn)行室溫拉伸試驗。在1號和2號試樣上取樣并加工V形缺口沖擊試樣，試樣尺寸為10 mm×10 mm×55 mm，缺口位于焊縫中心位置，根據(jù)AWS B4.0M：2000的技術(shù)要求進(jìn)行夏比V形缺口沖擊試驗，沖擊溫度設(shè)定為-29 ℃。再在1號和2號試樣上分別取樣，根據(jù)ASTM A751—2011StandardTestMethods,Practices,andTerminologyforChemicalAnalysisofSteelProducts的技術(shù)要求對熔敷金屬的化學(xué)成分進(jìn)行分析。根據(jù)GB/T 226—2015《鋼的低倍組織及缺陷酸蝕檢驗法》的要求，在斷后拉伸試樣的端部截取金相試樣，采用體積分?jǐn)?shù)為4%的硝酸酒精溶液浸蝕后觀察顯微組織。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 力學(xué)性能試驗

1號和2號試樣的拉伸試驗結(jié)果如表2所示，可知1號試樣的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度均比2號試樣的高100 MPa左右，而斷后伸長率低了近4%。說明隨著強(qiáng)度的升高，試樣的塑性會出現(xiàn)一定幅度的下降，同時伴隨著沖擊功的升高，沖擊試驗結(jié)果如表3所示。

表2 拉伸試驗結(jié)果Tab.2 Tensile test results

表3 夏比沖擊試驗結(jié)果Tab.3 Charpy impact test results

2.2 化學(xué)成分分析

金屬中對力學(xué)性能起重要作用的元素主要是碳、硅、錳、鎳、鉻、銅和鉬等，隨著各元素含量在一定范圍內(nèi)增加，材料的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度會相應(yīng)提高[6]。化學(xué)成分分析結(jié)果如表4所示，可見兩個焊接試樣的主要化學(xué)成分基本一致，同時磷和硫的含量也都符合ASME Ⅱ SFA 5.28: 2013的要求，含也基本一致，說明焊接參數(shù)對試樣的化學(xué)成分基本沒有影響，因此力學(xué)性能差異不是由化學(xué)成分的微小差別引起的。

表4 化學(xué)成分分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.4 Analysis results of chemical composition (mass fraction) %

2.3 金相檢驗

兩個焊接試樣的顯微組織如圖2和圖3所示，可見熔敷金屬組織為鐵素體+珠光體，鐵素體主要是在奧氏體晶粒內(nèi)形成的細(xì)晶鐵素體和部分針狀鐵素體。針狀鐵素體的形成是由于焊縫金屬的快速冷卻，使合金元素形成了熔點較高的非金屬夾雜MnO，MnS2，SiO2，在熔池中首先析出，由于熔點不同，導(dǎo)致形成了以SiO2為核心、MnO2和MnS2為表層的復(fù)合夾雜物充當(dāng)針狀鐵素體形核的核心[6-8]。同時對比觀察兩個試樣的顯微組織，可知1號試樣的針狀鐵素體較2號試樣的多，判斷是因為1號試樣層間溫度低，試板冷卻速度快，導(dǎo)致組織中形成較多的針狀鐵素體。

圖2 1號試樣焊縫熔敷金屬的顯微組織Fig.2 Microstructure of weld deposited metal of sample 1

圖3 2號試樣焊縫熔敷金屬的顯微組織Fig.3 Microstructure of weld deposited metal of sample 2

2.4 焊接參數(shù)分析

焊接參數(shù)主要包括焊接電流、電壓、焊接速度、氬氣流量和層間溫度[9]。在該試驗中，除去層間溫度，兩個焊接試樣的其他參數(shù)基本一致。兩個焊接試樣的預(yù)熱溫度和層間溫度如表5所示，首道焊縫焊接前的溫度即是預(yù)熱溫度，層間溫度是指多道焊縫在施焊下一焊道之前的溫度。層間溫度過高會引起熱影響區(qū)晶粒粗大，過低會使焊縫金屬受類淬火處理，晶粒細(xì)小，甚至?xí)a(chǎn)生裂紋。通過對比表5所示的焊接層間溫度控制參數(shù)，可知1號試樣焊接過程中的層間溫度比2號試樣平均溫度低20～30 ℃。分析是由于焊接過程中預(yù)熱不夠，且天氣寒冷，操作車間室溫接近0 ℃，導(dǎo)致1號試樣冷卻速度快，奧氏體化停留時間短，晶粒來不及長大，相對較小，所以試樣強(qiáng)度會升高，超過了規(guī)定值。而當(dāng)層間溫度升高后，奧氏體化停留時間增長[10]，晶粒尺寸增大，試樣強(qiáng)度會降低。

表5 焊接層間溫度控制參數(shù)Tab.5 Temperature control parameters between welding layers

3 結(jié)論及建議

(1) 焊接接頭試樣抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度的升高是焊接過程中層間溫度偏低造成的。層間溫度偏低導(dǎo)致組織中針狀鐵素體增多，同時伴隨著材料塑性的降低，表現(xiàn)為斷后伸長率減小。

(2) 建議準(zhǔn)確控制焊接參數(shù)中預(yù)熱及層間溫度，最好制定適用于不同季節(jié)尤其是冬季的層間溫度。

(3) 在焊材復(fù)驗過程中應(yīng)嚴(yán)格按照技術(shù)要求進(jìn)行焊接，尤其不能忽視層間溫度這一重要參數(shù)。當(dāng)環(huán)境溫度較低時，考慮到散熱快，應(yīng)嚴(yán)格采取保溫措施，盡量將層間溫度控制在要求范圍內(nèi)。