熱輸入量對低合金鋼焊縫表面不銹鋼堆焊層性能影響研究

 浙江至德鋼業有限公司采用不同熱輸入量的焊接參數在低合金鋼焊縫表面堆焊不銹鋼堆焊層，通過對橫向側彎試驗結果和微觀金相的研究，分析了熱輸入量對不銹鋼堆焊層性能的影響趨勢，對蒸汽發生器產品制造或焊接工藝評定具有一定的指導意義。

 蒸汽發生器是一回路冷卻劑將核蒸汽供應系統的熱量傳給二回路給水，使之產生一定壓力、一定溫度和一定干度蒸汽的熱交換設備。在蒸汽發生器制造過程中，與帶放射性的一回路反應堆冷卻劑接觸的低合金鋼表面需堆焊不銹鋼堆焊層，其主要起耐腐蝕作用。因此，在蒸汽發生器設計中，處于與冷卻劑接觸的低合金鋼焊縫表面也需要堆焊不銹鋼堆焊層，采用帶極埋弧堆焊，焊道寬且平滑，熔敷效率高，利于提高產品制造進度。本文通過采用不同熱輸入量的埋弧堆焊參數在模擬產品低合金鋼焊縫的試件上進行不銹鋼堆焊，研究熱輸入量對不銹鋼堆焊層性能的影響趨勢，對蒸汽發生器產品制造或焊接工藝評定具有一定的指導意義。

一、試驗過程

 1. 母材和焊材

 試驗母材采用與蒸汽發生器產品相同材質的SA-508Gr.3Cl.2鍛件，其是ASME規范第Ⅱ卷A篇材料，公稱化學成分為0.75Ni-0.5Mo-Cr-V，屬低合金高強鋼。由于含有較多的合金元素，碳當量達0.76%，焊接過程中熱影響區具有較高的淬硬傾向，因此適當進行焊前預熱、后熱，控制焊接冷卻速度是確保堆焊層母材熱影響區不產生冷裂紋的必要條件。在焊接材料選用方面，除了焊帶化學成分應滿足要求外，堆焊層金屬的各項力學性能也應滿足要求，且焊帶和焊劑還要具備優良的焊接工藝性能。焊劑對堆焊過程的穩定性有很大影響，而穩定的堆焊過程是獲得可靠焊道質量的保證。根據對多個知名焊材廠家對比，我們采用了SAF公司生產的EQ309L/EQ308L/焊劑、E9018-G焊接材料。

 2. 坡口形式

 根據產品的實際情況，在母材和焊材準備就緒后，先采用E9018-G焊條將凹槽填充平整以便模擬產品低合金鋼焊縫，然后再采用帶極埋弧堆焊不銹鋼堆焊層，首層采用EQ309L進行堆焊，其它層采用EQ308L進行堆焊，共堆焊三層。試件的坡口形式如圖所示。

3. 焊接過程

 共焊接三副試件，其中每個試件低合金鋼焊縫的焊接參數相同，但不銹鋼堆焊層采用不同的熱輸入量的焊接參數進行堆焊，各試件的堆焊工藝參數見表。

 對于表中的熱輸入量，其計算公式如下：Q=U×I×60/v式中：Q——表示熱輸入量，單位為焦每毫米（J/mm）；U——表示電壓，單位為伏特（V）；I——表示電流，單位為安培（A）；v——表示焊接速度，單位為毫米每分鐘（mm/min）。焊后及熱處理后對堆焊試件進行了PT和UT檢測，結果全部合格。PT檢測的合格標準符合ASME第Ⅲ卷的要求；UT檢測需要采用直探頭法進行100%的結合面完整性及缺陷的檢測，測試方法符合ASME第Ⅴ卷的要求。試件焊接完成后進行了608±10℃/24h的消應力退火熱處理。試件探傷合格后，在每個試件上分別制備4個橫向側彎試樣，試樣包括全部堆焊層金屬及母材全部厚度，并按照ASME規范第Ⅸ卷的要求進行彎曲試驗，合格指標為在彎曲后的凸面上沿任何方向測量，在焊縫和熱影響區內不得有超過3.2mm的開口缺陷。

 4. 試驗結果與分析

 在試件1上制備的側彎試樣中，4個試樣均不合格，在堆焊層上不同程度地存在3.2-3.6mm開口缺陷，開口缺陷的數量較多，且均出現在EQ309堆焊層。在試件2上制備的側彎試樣中，有3個試樣不合格，堆焊層上存在2.4-3.0mm開口缺陷，開口缺陷的數量較試件1彎曲試驗的開裂有明顯減少，但開裂還是出現在EQ309堆焊層。在試件3上制備的側彎試樣中，4個試樣均合格，沒有出現開口缺陷。為分析開裂原因，在試件1彎曲試樣的開裂處制備微觀試樣進行檢測。經分析，認為在焊接過程中熱輸入量過大且道間溫度過高，造成晶粒粗大且馬氏體在晶內和晶界處聚集引起脆化，致使彎曲時受拉伸力的作用沿晶界產生裂紋。

 為了能夠與試件1彎曲開裂部位微觀檢測形成對比，在試件3上相似部位同樣制備了微觀試樣進行檢測。通過微觀分析，由于降低了焊接熱輸入量，且嚴格堆焊過程，馬氏體帶較試件1彎曲開裂部位明顯變窄，且晶界處的馬氏體量也較前一次焊接的明顯變少。

二、結論

 由分析結果可以看出，帶極埋弧堆焊的熱輸入量對低合金鋼焊縫表面的不銹鋼堆焊層，特別是對EQ309L堆焊層性能的影響比較大。隨著熱輸入量的降低，彎曲試樣的開裂程度呈逐步下降的趨勢，晶界處的馬氏體明顯減少。在蒸汽發生器產品制造或焊接工藝評定過程中，應對這種開裂趨勢引起重視，以便保證不銹鋼堆焊層的性能質量。