韓宇 馮偉 鄒小平 鄒力維 陳波

摘要：采用帶極電渣堆焊方法，研制了一種用于核級的奧氏體不銹鋼焊帶EQ308L。對材料化學成分、力學性能及腐蝕性能進行了研究。結果表明，該材料焊接工藝性能優(yōu)良，冶金性能良好，熔敷金屬化學成分和力學性能穩(wěn)定，而且，具有較寬泛的熱輸入適應性。在70.9～187.2 kJ/cm范圍內(nèi)，該材料具有穩(wěn)定的力學性能及晶間腐蝕性能，滿足核電相關技術要求。堆焊層組織以奧氏體+δ-鐵素體為主，呈柱狀晶。

關鍵詞：核電; EQ308L; 帶極電渣堆焊; 熱輸入

中圖分類號：TG 448

Abstract：Adopting strip electro-slag welding method，a kind of the stainless steel strip EQ308L for nuclear grade was developd. Chemical composition， mechanical properties and corrosion properties of the materials were studied. The result showed that the material had excellent welding process performance， good metallurgical performance， stable chemical composition and mechanical properties of deposited metal， and had a wide range of heat input adaptability. In the range of 70.9～187.2 kJ/cm， the material had stable mechanical properties and intergranular corrosion performance， and met the technical requirements of nuclear power. The microstructure of the surfacing layer was mainly austenite+δ-ferrite， showing columnar grain.

Key words：nuclear power; EQ308L; strip electro-slag cladding; heat input

0 前言

核電用EQ308L不銹鋼帶極-堆焊材料主要用于核電反應堆內(nèi)部所有與一回路水接觸的低合金鋼容器的表面堆焊，如反應堆壓力容器、蒸發(fā)器下封頭和穩(wěn)壓器等構件[1]。該材料除了對加工精度、合金設計和焊道成形的要求較高外，對匹配焊劑微量元素的過渡和碳、硫、磷元素的控制要求也較高。同時，由于該材料受熱輸入的影響較大。通常情況下，該材料的開發(fā)難度較大，帶極堆焊同其它焊接方法相比，具有焊道寬、熔深淺、效率高等優(yōu)點，帶極堆焊方法包括埋弧焊和電渣焊，近年來，國外帶極堆焊技術已廣泛應用到核電領域，在國內(nèi)，核電領域應用的埋弧焊較多，電渣焊有應用但對其研究較少，對比兩種方法，電渣堆焊的工藝性能優(yōu)良，冶金性能良好，熔敷金屬化學成分和力學性能穩(wěn)定，因此，文中開展了核電EQ308L帶極電渣堆焊技術的研究。

1 焊帶、焊劑成分設計

1.1 焊帶

資料顯示，C，N原子均可以提高奧氏體不銹鋼強度[2]，但是，C原子是奧氏體不銹鋼引起晶間腐蝕的最主要元素。隨著C含量的增加，奧氏體不銹鋼抗晶間腐蝕能力降低[3]ADDINNE.Ref.{87610EBD-03DB-474E-9B1C-0AE61B513319}。核級材料不僅要求具有較好的力學性能，而且還要求具有較好的抗晶間腐蝕能力，文中通過對EQ308L帶極電渣堆焊材料進行控碳控氮處理，保證了EQ308L不銹鋼帶極電渣堆焊材料化學成分和力學性能均滿足核電相關技術要求，化學成分見表1。

1.2 焊劑

通過對基礎電渣焊劑配方的優(yōu)化調整測試，最終確定渣系為CaF2-MgO-SiO2-Al2O3。

CaF2是主要造渣劑，同時，具有脫硫和去氫的作用，由于熔點較低，有助于降低熔渣的粘度，從而有利于熔渣的流動性和焊縫成形。MgO可以改善熔渣的堿度、透氣性和表面張力，在適當?shù)姆秶鷥?nèi)，焊劑中隨MgO含量的增加，熔渣的膨脹系數(shù)增加，焊道的成形性提高。SiO2有利于焊接工藝性的改善，它能改善熔渣的粘度和表面張力，對焊道的成形有重要的作用。Al2O3具有優(yōu)良的化學穩(wěn)定性，熔點較高，對脫渣性起顯著作用[4-6]。電渣焊劑WSJ38HR化學成分見表2。

2 試驗過程

帶極電渣堆焊材料選用研制的WEQ308HR焊帶和WSJ38HR焊劑，焊帶規(guī)格0.5 mm×60 mm，焊劑規(guī)格為178～2 000 μm，母材選用300 mm×300 mm×40 mm的A508-Ⅲ鋼板，過渡層選用EQ309L焊帶，電源采用平特性電源林肯DC-1500，控制系統(tǒng)采用林肯NA-3N。采用帶極電渣堆焊，焊前需預熱試板，預熱溫度為100～150 ℃。焊接工藝參數(shù)見表3。

3 試驗結果與分析

3.1 焊劑的工藝性能

WEQ308HR不銹鋼焊帶配合電渣焊劑WSJ38HR進行堆焊時，起弧容易、電弧燃燒穩(wěn)定、無飛濺和煙塵、焊道表面成形美觀、焊道之間搭接處熔合良好、脫渣良好、無咬邊現(xiàn)象、整體焊接工藝性能良好。堆焊后對焊道厚度和寬度進行測量，測量結果，過渡層厚度為3.2 mm，堆焊層厚度為3.3 mm，焊道寬度為65 mm。焊接工藝性如圖1所示。

3.2 焊劑的冶金性能

堆焊層質量與焊劑有著密切關系。焊劑除了起到焊縫合金穩(wěn)定過渡作用外，還能起到抑制熔敷金屬中C，S，P等有害元素增加的作用。同時，減少益合金元素Cr，Ni等有益元素的燒損量。文中對焊帶和熔敷金屬中C，Si，Mn，S，P，Cr，Ni元素進行化學分析對比，得出了7種元素的過渡特性，見表4。

3.3 焊帶和熔敷金屬化學成分

焊帶和熔敷金屬化學成分按照NB/T 20009—2012《壓水堆核電廠用焊接材料》標準中GB/T 223進行化學分析，結果見表5，從表5中可以看出，焊帶及熔敷金屬化學成分滿足核電相關技術要求。

3.4 不同焊接熱輸入條件下熔敷金屬力學性能

在焊接電壓不變的條件下，通過對焊接電流和焊接速度等焊接工藝參數(shù)進行了調整，共設計出4種焊接試驗方案，研究了不同焊接熱輸入對熔敷金屬力學性能的影響規(guī)律，不同焊接試驗方案下焊接工藝參數(shù)見表6。

3.4.1 拉伸試驗

熔敷金屬室溫拉伸試驗按NB/T 20009—2012《壓水堆核電廠用焊接材料》標準中GB/T 2652—2008《焊縫及熔敷金屬拉伸試驗方法》執(zhí)行，室溫拉伸試樣直徑為10 cm。4種不同焊接試驗方案下的室溫拉伸強度結果見表7。從表7中可以看出，焊接熱輸入從70.9 kJ/cm增加至187.2 kJ/cm時，室溫拉伸性能均能很好的滿足核電相關技術要求，而且穩(wěn)定性較好。隨著焊接熱輸入的增加，抗拉強度、屈服強度及斷后伸長率呈下降趨勢，焊接熱輸入對斷面收縮率的影響較小。

3.4.2 彎曲試驗

彎曲試驗按GB/T 2653—2008執(zhí)行，D=4a，α=180°要求進行，對焊道分別取橫向大側彎180 mm×40

mm×10 mm試塊4件，對試樣進行180°冷彎試驗后，彎曲部位均未發(fā)現(xiàn)裂紋。結果表明，將熱輸入從70.9 kJ/cm增加至187.2 kJ/cm時，堆焊層具有良好的彎曲性能。試樣冷彎后的宏觀照片如圖2所示。

3.4.3 晶間腐蝕試驗

晶間腐蝕試驗按照NB/T 20009—2012《壓水堆核電廠用焊接材料》標準中GB/T 4334—2008 E法執(zhí)行，對焊道取80 mm×20 mm×3 mm的試塊4件，經(jīng)16 h硫酸-硫酸銅-銅屑溶液腐蝕后，對試樣進行180°彎曲試驗，在顯微鏡下放大后對彎曲面進行觀測，均未發(fā)現(xiàn)晶間腐蝕傾向。結果表明，將熱輸入從70.9 kJ/cm增加至187.2 kJ/cm時，耐蝕層具有良好的晶間腐蝕性。

3.4.4 金相試驗

從方案2和方案3中各選取焊縫橫向截面上顯微試樣1件，經(jīng)拋光、腐蝕后，在金相顯微鏡下放大后進行微觀組織觀察，焊縫金相形貌如圖3和圖4所示。

從圖3和圖4中可以看出，堆焊層組織均為奧氏體+δ鐵素體了，呈柱狀晶，未發(fā)現(xiàn)微觀裂紋。結果表明，隨著熱輸入增加，奧氏體晶粒出現(xiàn)明顯的長大趨勢，原因在于隨熱輸入的增加，高溫停留時間隨之增加，導致奧氏體晶粒長大。除此之外，金屬原子的擴散速度會隨著峰值溫度的增加而加快，C，N等元素會降低γ-Fe原子間的結合力，使鐵元素自擴散速度增加，從而使奧氏體晶粒長大[7-8]ADDINNE.Ref.{B95D902E-0E0B-402B-BB15-36CD3914F9D2}。

4 結論

（1）新研制的核級不銹鋼焊帶WEQ308HR配合電渣焊劑WSJ38HR焊接，工藝性能良好、焊道成形光滑平整、脫渣良好，焊劑具有較好的工藝性能和冶金性能。

（2）新研制的電渣堆焊材料通過控碳控氮處理，解決了室溫抗拉強度不能穩(wěn)定≥520 MPa的難題。

（3）新研制的焊帶具有較寬泛的熱輸入適應性，在焊接熱輸入70.9～187.2 kJ/cm范圍內(nèi)，熔敷金屬化學成分及力學性能穩(wěn)定，滿足核電相關技術要求。

參考文獻

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