，，

(上海電氣核電設(shè)備有限公司，上海 201306)

0 引言

接管安全端是反應(yīng)堆壓力容器接管與一回路主管道連接的過(guò)渡部件，其中接管由18MND5低合金鋼鍛造而成。為提高與接管及主管道的可焊性，通常在內(nèi)壁堆焊一定厚度的309L/308L不銹鋼[1]，這其中涉及低合金鋼與不銹鋼的異種合金焊接。關(guān)于異種合金焊接,國(guó)內(nèi)外已開(kāi)展大量研究[2]，但大多數(shù)聚焦于熔合線附近的組織[3]、腐蝕性能[4]、應(yīng)力模擬[5]等，對(duì)于實(shí)際產(chǎn)品焊接過(guò)程中所遇到的界面剝離問(wèn)題報(bào)道較少。在實(shí)際生產(chǎn)中，18MND5接管內(nèi)壁堆焊309L/308L時(shí)的界面剝離問(wèn)題始終是核電設(shè)備制造的難點(diǎn)之一。

本文以18MND5接管內(nèi)壁309L/308L不銹鋼堆焊為研究對(duì)象，通過(guò)分析界面剝離試樣以及工藝試驗(yàn)，從結(jié)構(gòu)應(yīng)力、組織應(yīng)力角度研究界面剝離的機(jī)理,并結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，從擋渣環(huán)設(shè)計(jì)、焊道排布以及焊接線能量控制的角度提出改進(jìn)措施。

1 試驗(yàn)研究

1.1 材料及工藝

在核電設(shè)備制造過(guò)程中，帶極埋弧自動(dòng)焊工藝常應(yīng)用于低合金鋼表面不銹鋼耐蝕層堆焊，這主要是由于埋弧焊接具有較高的效率以及焊接過(guò)程中熔渣起到有效保護(hù)熔池和電弧區(qū)、提高焊縫質(zhì)量的作用。不銹鋼與低合金鋼焊接時(shí)，母材會(huì)發(fā)生局部熔合，不銹鋼的合金元素被稀釋。相對(duì)于308L，309L的合金元素含量較高，其濃度降低后形成的焊縫金屬組織為奧氏體+鐵素體，是較為理想的過(guò)渡層焊接材料。因此，在實(shí)際的堆焊過(guò)程中，首先采用帶極埋弧焊在18MND5低合金鋼表面進(jìn)行309L過(guò)渡層堆焊，然后堆焊若干層308L不銹鋼(見(jiàn)圖1)，圖2示出實(shí)際的施焊過(guò)程。本文研究所用18MND5低合金鋼、309L及308L不銹鋼的合金成分如表1所示，焊接工藝參數(shù)如表2所示，預(yù)熱后熱及熱處理工藝參數(shù)如表3所示。

圖1 堆焊示意

圖2 帶極埋弧堆焊實(shí)物圖

表2 EQ309L+EQ308L焊接工藝參數(shù)

表3 預(yù)熱后熱及熱處理工藝參數(shù)

1.2 試樣分析

為清晰表征堆焊后焊縫金屬及熱影響區(qū)的組織形貌，首先使用15%鉻酸水溶液對(duì)309L進(jìn)行電化學(xué)腐蝕，腐蝕電壓、電流分別為1.5 V，22 mA/cm2。利用4%硝酸酒精對(duì)低合金鋼的組織進(jìn)行刻蝕。利用Axiovert 40MAT光學(xué)顯微鏡(OM)及VEGA3XMU掃描電鏡(SEM)表征焊縫金屬及熱影響區(qū)的顯微形貌。利用Tukon2100B型顯微硬度計(jì)、選用50 g載荷對(duì)熔合線附近組織的微硬度予以表征，為反映熱影響區(qū)不同組織的顯微硬度的變化趨勢(shì)，測(cè)量時(shí)相鄰測(cè)量點(diǎn)的間距為100 μm。

2 結(jié)果及討論

2.1 缺陷分析

對(duì)接管內(nèi)壁進(jìn)行單層309L及多層308L不銹鋼堆焊后，在18MND5與309L界面處發(fā)生剝離破壞。界面剝離試樣的縱截面及表面形貌如圖3所示。由圖3(a)縱截面形貌可知，界面剝離發(fā)生于熔合線位置，一側(cè)為18MND5低合金鋼，另一側(cè)為309L不銹鋼。由圖3(b)，(c)剝離試樣的表面形貌可知，剝離界面已發(fā)生氧化，說(shuō)明其界面剝離發(fā)生于高溫階段。

圖3 界面剝離處縱截面及表面形貌

2.2 工藝試驗(yàn)

為進(jìn)一步分析界面剝離發(fā)生的機(jī)理，采用與產(chǎn)品相同的母材、焊材、焊接工藝及熱處理參數(shù)，在18MND5試板上進(jìn)行309L/308L多層埋弧堆焊，焊后試板截面宏觀形貌如圖4所示。當(dāng)堆焊至第6層時(shí)，在局部堆高的位置發(fā)生界面剝離。根據(jù)圖5(a)剝離位置的微觀形貌可知，裂紋形成于18MND5/309L的熔合線位置，這與實(shí)際產(chǎn)品發(fā)生剝離的情況相同。對(duì)未發(fā)生剝離試樣的縱截面，選用50 g載荷對(duì)其硬度分布予以表征，結(jié)果如圖5(b)所示。根據(jù)壓痕尺寸可知，圖5(b)橢圓區(qū)域中的壓痕尺寸最小，即其硬度值最大，并且該區(qū)域位于18MND5與309L界面附近。為進(jìn)一步研究該區(qū)域顯微特征，采用SEM予以表征，結(jié)果如圖6所示。在緊鄰熔合線靠近309L側(cè)存在厚約30 μm的馬氏體層[6]。

圖4 試板堆焊后截面宏觀形貌

(a)剝離位置

(b)未剝離位置

圖6 18MND5/309L熔合線附近SEM形貌

2.3 討論

2.3.1 焊道排布對(duì)殘余應(yīng)力的影響

在工藝試驗(yàn)或者產(chǎn)品堆焊時(shí)，由于對(duì)焊道排布沒(méi)有明確的規(guī)定，通常會(huì)采用如圖7(a)所示排布，即堆焊后4個(gè)端面幾乎處于同一垂直平面上。18MND5低合金鋼、309L不銹鋼的熱膨脹系數(shù)分別為11.5×10-6/K，14.4×10-6/K。堆焊過(guò)程中，不銹鋼的熱膨脹系數(shù)相對(duì)低合金鋼較大，因此在堆焊層中將產(chǎn)生拉應(yīng)力，而低合金鋼側(cè)產(chǎn)生壓應(yīng)力，導(dǎo)致18MND5/309L界面處產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力。堆焊層的端面處拘束度較小以及界面處較大的殘余應(yīng)力，導(dǎo)致端面處容易發(fā)生界面剝離，即在第1層的第1道或最后一道位置。根據(jù)以上分析可知，為防止界面剝離，須降低第1堆焊層起始及最終焊道的應(yīng)力集中，故采用圖7(b)所示具有梯度過(guò)渡性質(zhì)的焊道排布。

(a) (b)

圖7 焊道排布示意

2.3.2 組織應(yīng)力對(duì)應(yīng)力集中的影響

由圖5，6分析可知，異種合金焊接過(guò)程中，界面附近形成相對(duì)于不銹鋼及低合金鋼強(qiáng)度較高、塑性差的馬氏體組織[7]。在焊接殘余應(yīng)力的作用下較易在界面附近形成應(yīng)力集中，誘發(fā)裂紋萌生及擴(kuò)展，因此，熔合線附近組織應(yīng)力與馬氏體層厚度相關(guān)。馬氏體層的形成是由于堆焊過(guò)程中重熔的母材組織與焊縫金屬熔合所形成，如圖8所示。熔合線附近的組織由母材稀釋率決定，如表4所示。隨著稀釋率增大，熔合線附近靠近309L側(cè)的組織逐漸由奧氏體+鐵素體向奧氏體+馬氏體轉(zhuǎn)變。由圖6中的組織分析可知，在熔合線附近309L側(cè)存在厚約30 μm的馬氏體層，即母材的稀釋率高于40%。因此，降低309L堆焊層線能量可實(shí)現(xiàn)降低母材稀釋率、減小馬氏體層厚度，進(jìn)而降低熔合線附近組織應(yīng)力的作用。

圖8 舍夫勒相圖

稀釋率20%24%30%35%40%組織奧氏體+鐵素體(5%～6%)奧氏體+鐵素體(3%)純奧氏體奧氏體+少量馬氏體奧氏體+馬氏體

2.4 產(chǎn)品應(yīng)用

2.4.1 接管內(nèi)壁堆焊工藝改進(jìn)

對(duì)接管內(nèi)壁進(jìn)行不銹鋼堆焊，其中堆焊層厚度最厚處約30 mm。實(shí)際堆焊接管內(nèi)壁時(shí)，通常會(huì)在接管端部焊接擋渣環(huán)(如圖9(a)所示)，擋渣環(huán)由薄壁板制成，寬厚比>5。堆焊時(shí)，焊道起始于擋渣環(huán)位置，并且每層焊道的錯(cuò)邊量較小。由于擋渣環(huán)寬厚比較大、剛度較小，在堆焊時(shí)，因焊接熱應(yīng)力作用使得擋渣環(huán)上翹，導(dǎo)致?lián)踉h(huán)與接管交界的焊道產(chǎn)生應(yīng)力集中，進(jìn)而萌生裂紋。為避免端面處堆焊層界面的應(yīng)力集中，應(yīng)提高擋渣環(huán)的剛度、降低其焊接變形，即采用寬厚比較小的擋渣環(huán)替代傳統(tǒng)的擋渣環(huán)，并且每一層焊道應(yīng)保證一定的錯(cuò)邊量。

(a) (b)

圖9 接管內(nèi)壁堆焊擋渣環(huán)焊接示意

根據(jù)上文分析，改用寬厚比為1的擋渣環(huán)，如圖9(b)所示。此外，保證每一層焊道的錯(cuò)邊量為5 mm。采用表2，3中參數(shù)對(duì)接管內(nèi)壁進(jìn)行堆焊，結(jié)果表明，通過(guò)調(diào)整擋渣環(huán)結(jié)構(gòu)以及焊道間錯(cuò)邊量，有效地避免了界面剝離的發(fā)生。

2.4.2 焊接線能量控制

為降低母材稀釋率，對(duì)第1層309L不銹鋼堆焊采用鎢極氬弧焊(TIG)工藝，焊接過(guò)程中采用小的焊接速度，并增加焊絲送絲量。其余308L層仍采用埋弧焊，相應(yīng)焊接參數(shù)如表5所示。堆焊后試樣的截面形貌如圖10所示，可以看出，熔合線靠近309L側(cè)的馬氏體層厚度約為5 μm，其馬氏體層寬度顯著降低，從而實(shí)現(xiàn)了降低熔合線附近組織應(yīng)力的作用。

表5 ER309L+EQ308L焊接工藝參數(shù)

圖10 TIG焊后，18MND5/309L熔合線附近SEM形貌

3 結(jié)論

針對(duì)接管內(nèi)壁堆焊時(shí)遇到的界面剝離問(wèn)題，通過(guò)分析剝離試樣以及工藝試驗(yàn)，從結(jié)構(gòu)應(yīng)力和組織應(yīng)力的角度展開(kāi)分析，闡明了18MND5/309L異種合金界面剝離的機(jī)理，并提出了實(shí)際可行的改進(jìn)措施，結(jié)論如下。

(1)焊道排布影響著309L堆焊層的應(yīng)力分布，采用梯度過(guò)渡的焊道排布可有效降低界面處的應(yīng)力集中；

(2)熔合線附近309L側(cè)的馬氏體組織寬度影響著界面處的組織應(yīng)力，通過(guò)降低第1層309L不銹鋼的線能量可有效降低馬氏體組織含量，進(jìn)而起到削弱組織應(yīng)力的作用；

(3)在實(shí)際堆焊過(guò)程中，降低擋渣環(huán)的寬厚比，起到降低端面處309L焊道界面應(yīng)力集中的作用。