反應堆壓力容器用低合金鋼焊接材料性能研究

梅樂　王永東　張俊寶　宋波

摘要： SA-508Gr.3Cl.1 低合金鋼用埋弧焊焊絲焊劑主要用于三代核電反應堆壓力容器等容器殼體的焊接。采用國產埋弧焊焊絲及焊劑，通過試板焊接和熔敷金屬力學性能試驗，研究了焊接電流和熱輸入對熔敷金屬力學性能的影響，為國產焊材的工程應用提供了基礎數據和技術支持。試驗結果表明，在焊接熱輸入量為16364～29 760 J/cm 的范圍內，國產埋弧焊焊絲焊劑熔敷金屬在焊態和焊后熱處理態的拉伸和沖擊性能均滿足設計要求，且有較大的裕量。

關鍵詞： 反應堆壓力容器 SA-508Gr.3Cl.1 低合金鋼 焊接材料 拉伸性能

中圖分類號： TL351.6;TG316 文獻標識碼： A 文章編號： 1672-3791（2023）24-0116-03

在壓水堆核電站中，反應堆壓力容器是包容堆芯核燃料的高壓承壓邊界設備，其服役條件較為苛刻，且在核電站設計壽期內不允許更換。三代非能動壓力容器殼體選用的是SA-508Gr.3Cl.1 鍛件，設計壽命為60年，對壓力容器的殼體及其焊縫提出了很高的拉伸和沖擊性能要求［1］。最長焊后熱處理保溫時間要求不少于40 h，并對焊縫金屬化學成分提出了更為嚴格的控制要求。

目前，公開發表的核電用低合金鋼埋弧焊焊絲焊劑的性能研究的相關學術論文主要包括焊后熱處理對SA-508 熔敷金屬力學性能的影響［2］，殘余應力和雜質磷對SA-508Gr. 4N 鋼焊接熱影響區脆性的影響［3］，508-ⅢB 低合金鋼TIG 焊工藝及熔池冶金行為的研究［4］，焊接熱循環對低合金鋼組織及性能的影響［5］。同時，胡曉波等人［6］研制出核電用SA-508Gr.3Cl.2 鋼配套埋弧焊焊接材料。劉學利等人［7］研制出一款可同時滿足SA-508Gr.3Cl.1 和SA-508Gr.3Cl.2 鋼焊接要求的手工焊條。

為研究SA-508Gr.3Cl.1 鋼用國產埋弧焊焊材的焊接規范適用范圍及其性能，本文進行了多種焊接參數組合下的試板焊接和熔敷金屬力學性能試驗，研究了焊接電流和熱輸入對熔敷金屬力學性能的影響。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

焊接試板母材采用Q345B 鋼板，坡口形式及尺寸如圖1 所示。試驗用埋弧焊焊絲及焊劑的美國焊劑協會標準（AWS）類別號為F8P4-EGN-F2N，焊絲直徑為4.0 mm。

1.2 焊接試驗方案

參考工程應用經驗，本文制訂了一套以焊接電流和熱輸入為變化因子的試驗方案，如表1所示。試板焊接完畢后采用同一制度（607 ℃×40 h）進行焊后熱處理。

1.3 力學性能試驗方法

表1 所述的每個試驗方案下的力學性能試驗項目，包括室溫和350 ℃拉伸、3 ℃和-30 ℃夏比V 型缺口沖擊等，分別在焊態和焊后熱處理狀態下進行。室溫拉伸試驗按照《金屬材料焊縫破壞性試驗 熔化焊接頭焊縫金屬縱向拉伸試驗》（GB/T 2652—2022）進行，350 ℃拉伸試驗按照《金屬材料 拉伸試驗 第2 部分：高溫試驗方法》（GBT 228.2—2015）進行，試樣標距段直徑為12.5 mm。沖擊試驗按照《金屬材料焊縫破壞性試驗 沖擊試驗》（GB/T 2650—2022）進行，沖擊試樣采用標準全尺寸。在分析試驗結果時，取1 組（3 個）沖擊試樣結果的平均值。

2 性能分析與討論

2.1 焊接熱輸入量對熔敷金屬拉伸性能的影響

如圖2 所示，焊態時，隨著焊接熱輸入量的增大，熔敷金屬的抗拉強度均變化不大，而規定塑性延伸強度（以下簡稱規定強度）在熱輸入量到達20 160 J/cm（表1 所述的1 號方案）時出現極大值。焊后熱處理態時，熔敷金屬的拉伸強度隨著熱輸入量的增大而略有提高，當熱輸入量到達22 320 J/cm（表1 所述的3 號方案）后，拉伸強度開始略有降低。

2.2 焊接電流對熔敷金屬拉伸性能的影響

如圖3 所示，1 號方案（焊接電流為560 A）中焊態熔敷金屬的強度較高，但經過焊后熱處理后拉伸性能和2 號、3 號方案趨于一致。

2.3 焊接熱輸入對熔敷金屬沖擊性能的影響

如圖4 所示，在熱輸入量為20 160 J/cm（表1 所述的1 號方案）時，焊態和焊后熱處理態熔敷金屬均具有較大的沖擊功，特別是焊態3℃和焊后熱處理態-30℃沖擊試驗。

3 結論

（1）本文所研究的國產SA-508Gr.3Cl.1低合金鋼用埋弧焊焊絲焊劑，在焊接熱輸入量為16 364～29 760 J/cm的范圍內，熔敷金屬在焊態和焊后熱處理態的拉伸和沖擊性能均滿足設計要求，且有較大的裕量，適用焊接參數范圍較大。

（2）當焊接熱輸入量為20 160 J/cm（電流為560 A、焊接速度為50 cm/min）、道間溫度為200 ℃時，所研究的國產焊絲焊劑熔敷金屬具有較好的拉伸性能和沖擊性能。

（3）焊接電流對焊態熔敷金屬力學性能有一定影響，而對焊后熱處理態熔敷金屬力學性能的影響相對較小。

基金項目： RPV 材料輻照損傷行為規律與預測模型研究（項目編號：2019YFB1900901）。

參考文獻

[1] 孫漢虹，程平東，繆鴻興，等. 第三代核電技術AP1000[M]. 北京：中國電力出版社，2010.

[2] 王弘昶，張文楊，左波. 焊后熱處理時間對SA-508Gr.3Cl.2 鋼焊縫力學性能影響的研究[J]. 熱加工工藝，2016，8（45）：28-33.

[3] 王天馳.殘余應力和雜質磷對SA508Gr.4N鋼焊接熱影響區脆性的影響[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2021.

[4] 周威.508-ⅢB 低合金鋼TIG 焊工藝及熔池冶金行為的研究[D]. 鎮江：江蘇科技大學，2019.

[5] 劉鳴宇，魯艷紅. 焊接熱循環對低合金鋼組織及性能的影響[J]. 壓力容器，2019，36（8）：7-11.

[6] 胡曉波，趙承先，馮偉，等. 核電用SA-508Gr.3Cl.2 鋼配套埋弧焊焊接材料的研制[J]. 機械制造文摘（焊接分冊），2022（1）：42-46.

[7] 劉學利，張秀海，高蕊.核電設備用低合金鋼TY607HR焊條的研制[J].焊接技術，2019，48（6）：73-75.