熱輸入量對(duì)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(yè)有限公司采用不同熱輸入量的焊接參數(shù)在低合金鋼焊縫表面堆焊不銹鋼堆焊層，通過對(duì)橫向側(cè)彎試驗(yàn)結(jié)果和微觀金相的研究，分析了熱輸入量對(duì)不銹鋼堆焊層性能的影響趨勢(shì)，對(duì)蒸汽發(fā)生器產(chǎn)品制造或焊接工藝評(píng)定具有一定的指導(dǎo)意義。

 蒸汽發(fā)生器是一回路冷卻劑將核蒸汽供應(yīng)系統(tǒng)的熱量傳給二回路給水，使之產(chǎn)生一定壓力、一定溫度和一定干度蒸汽的熱交換設(shè)備。在蒸汽發(fā)生器制造過程中，與帶放射性的一回路反應(yīng)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(fā)生器設(shè)計(jì)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(chǎn)品制造進(jìn)度。本文通過采用不同熱輸入量的埋弧堆焊參數(shù)在模擬產(chǎn)品低合金鋼焊縫的試件上進(jìn)行不銹鋼堆焊，研究熱輸入量對(duì)不銹鋼堆焊層性能的影響趨勢(shì)，對(duì)蒸汽發(fā)生器產(chǎn)品制造或焊接工藝評(píng)定具有一定的指導(dǎo)意義。

一、試驗(yàn)過程

 1. 母材和焊材

 試驗(yàn)?zāi)覆牟捎门c蒸汽發(fā)生器產(chǎn)品相同材質(zhì)的SA-508Gr.3Cl.2鍛件，其是ASME規(guī)范第Ⅱ卷A篇材料，公稱化學(xué)成分為0.75Ni-0.5Mo-Cr-V，屬低合金高強(qiáng)鋼。由于含有較多的合金元素，碳當(dāng)量達(dá)0.76%，焊接過程中熱影響區(qū)具有較高的淬硬傾向，因此適當(dāng)進(jìn)行焊前預(yù)熱、后熱，控制焊接冷卻速度是確保堆焊層母材熱影響區(qū)不產(chǎn)生冷裂紋的必要條件。在焊接材料選用方面，除了焊帶化學(xué)成分應(yīng)滿足要求外，堆焊層金屬的各項(xiàng)力學(xué)性能也應(yīng)滿足要求，且焊帶和焊劑還要具備優(yōu)良的焊接工藝性能。焊劑對(duì)堆焊過程的穩(wěn)定性有很大影響，而穩(wěn)定的堆焊過程是獲得可靠焊道質(zhì)量的保證。根據(jù)對(duì)多個(gè)知名焊材廠家對(duì)比，我們采用了SAF公司生產(chǎn)的EQ309L/EQ308L/焊劑、E9018-G焊接材料。

 2. 坡口形式

 根據(jù)產(chǎn)品的實(shí)際情況，在母材和焊材準(zhǔn)備就緒后，先采用E9018-G焊條將凹槽填充平整以便模擬產(chǎn)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(jìn)行堆焊，其它層采用EQ308L進(jìn)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(gè)試件低合金鋼焊縫的焊接參數(shù)相同，但不銹鋼堆焊層采用不同的熱輸入量的焊接參數(shù)進(jìn)行堆焊，各試件的堆焊工藝參數(shù)見表。

 對(duì)于表中的熱輸入量，其計(jì)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(duì)堆焊試件進(jìn)行了PT和UT檢測(cè)，結(jié)果全部合格。PT檢測(cè)的合格標(biāo)準(zhǔn)符合ASME第Ⅲ卷的要求；UT檢測(cè)需要采用直探頭法進(jìn)行100%的結(jié)合面完整性及缺陷的檢測(cè)，測(cè)試方法符合ASME第Ⅴ卷的要求。試件焊接完成后進(jìn)行了608±10℃/24h的消應(yīng)力退火熱處理。試件探傷合格后，在每個(gè)試件上分別制備4個(gè)橫向側(cè)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(guī)范第Ⅸ卷的要求進(jìn)行彎曲試驗(yàn)，合格指標(biāo)為在彎曲后的凸面上沿任何方向測(cè)量，在焊縫和熱影響區(qū)內(nèi)不得有超過3.2mm的開口缺陷。

 4. 試驗(yàn)結(jié)果與分析

 在試件1上制備的側(cè)彎試樣中，4個(gè)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(shù)量較多，且均出現(xiàn)在EQ309堆焊層。在試件2上制備的側(cè)彎試樣中，有3個(gè)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(shù)量較試件1彎曲試驗(yàn)的開裂有明顯減少，但開裂還是出現(xiàn)在EQ309堆焊層。在試件3上制備的側(cè)彎試樣中，4個(gè)試樣均合格，沒有出現(xiàn)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(jìn)行檢測(cè)。經(jīng)分析，認(rèn)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(nèi)和晶界處聚集引起脆化，致使彎曲時(shí)受拉伸力的作用沿晶界產(chǎn)生裂紋。

 為了能夠與試件1彎曲開裂部位微觀檢測(cè)形成對(duì)比，在試件3上相似部位同樣制備了微觀試樣進(jìn)行檢測(cè)。通過微觀分析，由于降低了焊接熱輸入量，且嚴(yán)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(jié)論

 由分析結(jié)果可以看出，帶極埋弧堆焊的熱輸入量對(duì)低合金鋼焊縫表面的不銹鋼堆焊層，特別是對(duì)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(shì)，晶界處的馬氏體明顯減少。在蒸汽發(fā)生器產(chǎn)品制造或焊接工藝評(píng)定過程中，應(yīng)對(duì)這種開裂趨勢(shì)引起重視，以便保證不銹鋼堆焊層的性能質(zhì)量。