核級E309L-16奧氏體不銹鋼焊條的研制

王猛 鄒小平 陳波 陳佩寅 張學剛

摘要：核島主設備核心部件使用的E309L-16奧氏體不銹鋼焊條長期依賴進口，嚴重制約中國核電事業的發展。研究了焊態鐵素體含量對熔敷金屬經608 ℃×40 h熱處理后斷后伸長率的影響，對焊態鐵素體含量大于12%的熱處理態熔敷金屬微觀組織進行分析，并研究了熱輸入和熱處理保溫時間對熔敷金屬拉伸性能的影響，試驗結果表明：當鐵素體含量大于12%時，δ-鐵素體分解很不均勻，導致熔敷金屬斷后伸長率波動較大，可能會出現斷后伸長率小于18%;當鐵素體含量增大至17.8%時，δ-鐵素體大部分發生分解，并有σ相析出，是導致脆斷的原因;熱輸入和熱處理保溫時間對熔敷金屬的斷后伸長率影響不大。

關鍵詞：奧氏體不銹鋼;焊條;熱處理;熔敷金屬拉伸性能;核電

中圖分類號：TG422.1 ? ? ?文獻標志碼：A ? ? ? ? 文章編號：1001-2003（2021）06-0087-05

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.06.16

0 ? ?前言

核電是先進的清潔能源，是國家能源戰略的重要組成部分，是實現國家節能減排目標的最重要舉措之一。在核島設備中許多部組件采用不銹鋼制造，其中反應堆穩壓器及蒸汽發生器等反應堆主設備的殼體采用在低合金鋼鍛件上堆焊309L+308L奧氏體不銹鋼耐蝕層的方式制造。E309L焊條主要用于低合金鋼上作為過渡層堆焊使用[1-5]。

如果E309L奧氏體不銹鋼焊條的化學成分和鐵素體控制不當，按照AP1000蒸發器的技術規范要求，經過608 ℃×40 h的焊后熱處理后，焊縫金屬會出現斷后伸長率較低，無法滿足技術要求的現象[6-7]。為了加快國產焊條在核島主設備核心部件上的應用進程，開展了核級E309L-16奧氏體不銹鋼焊條的研制。

1 試驗要求與方法

1.1 試件制備

熔敷金屬力學性能試板采用Q235鋼板，在坡口堆焊兩層E309L-16過渡層，坡口形式為45°V型對接，坡口根部間距為12 mm，試板尺寸400 mm×

300 mm×20 mm。進行平焊位置焊接，具體焊接工藝參數見表1。力學性能試驗分別在焊態和焊后熱處理態608 ℃×40 h下進行。

1.2 化學成分分析

熔敷金屬化學成分分析用試件按照ASME SFA-

5.4 《焊條電弧焊用不銹鋼焊條標準》中圖1的要求制備，化學成分要求見表2。熔敷金屬鐵素體試件的制備按照ASME SFA-5.4 《焊條電弧焊用不銹鋼焊條標準》中圖A2的要求進行，按照ASME第Ⅲ卷NB-2433要求使用磁性法測定焊態熔敷金屬的δ鐵素體含量，要求范圍為5%～18%。

1.3 拉伸和彎曲試驗

室溫熔敷金屬拉伸試驗按照AWS B4.0M 《焊接機械試驗的標準方法》標準進行，試樣直徑φ12.5mm，拉伸試驗分別在焊態和熱處理態下進行，熔敷金屬拉伸性能要求見表3;彎曲試驗按照AWS B4.0M《焊接機械試驗的標準方法》標準進行，試樣尺寸200 mm×20 mm×10 mm。

1.4 金相組織

采用OLYMPUS GX51型光學顯微鏡觀察熔敷金屬金相組織，利用ZEISS EVO18 型掃描電子顯微鏡進一步放大觀察試樣表面微觀組織結構，配合OX-FORD INCA能譜儀進行點成分分析，使用透射電鏡進行精確分析。

2 試驗結果及分析

2.1 熔敷金屬拉伸試驗

焊態鐵素體含量與焊后熱處理態608 ℃×40 h室溫斷后伸長率的關系如圖1所示，A1、A2、A3分別為焊態鐵素體含量相同時，608 ℃×40 h焊后熱處理態不同室溫斷后伸長率。大量試驗結果表明，當焊態鐵素體含量小于12%時，熱處理態斷后伸長率≥18%;當焊態鐵素體含量大于12%時，出現了同種試驗狀態下斷后伸長率波動劇烈的現象，A1試樣的斷后伸長率為10%、A2試樣為22%、A3試樣為35%;當鐵素體含量為17.8%時，熱處理態拉棒發生脆斷，斷后伸長率幾乎為零。

2.2 熔敷金屬金相試驗

A1、A2、A3試樣金相顯微組織如圖2～圖4所示。由圖可知，各試樣顯微組織均為奧氏體+δ-鐵素體，但δ-鐵素體分解程度存在較大區別。A1試樣δ-鐵素體分解不均勻，部分區域δ-鐵素體分解徹底，部分區域可見未明顯分解的δ-鐵素體;A2試樣δ-鐵素體分解程度低于A1試樣，局部可見未明顯分解的δ-鐵素體;A3試樣δ-鐵素體區域形態完整，內部分解物很少，分解程度最為輕微。A1、A2、A3試樣的δ-鐵素體分解程度和不均勻程度依次降低。試驗結果表明，當焊態鐵素體含量為12.8%時，熱處理過程中鐵素體分解過程不均勻，從而導致同種狀態下斷后伸長率發生了較大波動。因此，焊態鐵素體含量要控制在12%以下。

當焊態鐵素體含量為17.8%時，大部分δ-鐵素體發生了分解。熱處理態拉棒發生脆斷，斷后伸長率幾乎為零，斷口形貌為沿柱狀晶脆性斷裂，如圖5所示。對焊態鐵素體含量為17.8%的熱處理態熔敷金屬顯微組織進行EDS分析，掃描電鏡圖片如圖6所示，在晶界三角交匯區可能存在σ相，EDS分析結果表明此處Cr含量較高，約為32%，具體分析結果見表4。

進一步對試樣作了透射電鏡分析，如圖7所示，結果表明，熱處理態下δ-鐵素體發生了分解，分解成σ相+二次奧氏體。

2.3 熔敷金屬化學成分及力學性能

通過化學成分優化和鐵素體含量控制，將熔敷金屬的化學成分的鉻鎳當量比值調整至1.63～1.72、鐵素體含量小于12%，研制的E309L-16焊條熔敷金屬的化學成分滿足表2的要求。采用磁性法測試鐵素體含量為11.8%，熔敷金屬室溫拉伸性能測試結果見表5，三批次數據穩定，完全符合表3的要求。熔敷金屬彎曲試驗結果見圖8，均未發生斷裂。新研制的E309L-16焊條熔敷金屬的熱處理態金相組織見圖9，δ-鐵素體分解均勻，其均勻性明顯優于A1和A2試樣，與A3試樣相當，而且比較輕微。

3 焊條熔敷金屬拉伸性能研究

3.1 熱輸入對熔敷金屬斷后伸長率的影響

熱輸入與焊接電流、電壓和焊接速度有關，不同熱輸入的斷后伸長率結果如圖10所示。

熱輸入對E309L-16焊條熔敷金屬抗拉強度和屈服強度的影響都較小，熱輸入從0.69 kJ/mm增加至2.55 kJ/mm時，斷后伸長率降低至30.5%，滿足技術要求。綜上所述，熱輸入在0.69～2.55 kJ/mm時，焊條熔敷金屬斷后伸長率均能滿足技術條件要求。

3.2 熱處理保溫時間對熔敷金屬斷后伸長率的影響

研究熱處理溫度為608 ℃，保溫時間分別為0 h、16 h、24 h、40 h和48 h的E309L-16焊條熔敷金屬斷后伸長率。不同保溫時間對斷后伸長率的影響如圖11所示，結果表明，熱處理保溫時間對研制的E309L-16焊條斷后伸長率影響較小，斷后伸長率均≥18%，滿足技術要求。

4 結論

（1）研制的E309L-16焊條具有優良的力學性能，三批次數據穩定，滿足核電技術條件要求。

（2）研制的E309L-16焊條適用范圍寬，熱輸入在0.99～2.55 kJ/mm，熔敷金屬斷后伸長率均能滿足技術條件要求。

（3）研制的E309L-16焊條經過608℃×（0～48）h的焊后熱處理，熔敷金屬斷后伸長率均能滿足技術條件要求。

參考文獻：

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