劉鐵剛 吳義黨 王德富

摘要：通過系列埋弧焊焊接試驗(yàn)研究焊接層間溫度對核電用18MND5鋼焊接接頭沖擊韌性的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，在進(jìn)行埋弧焊焊接時(shí)，層間溫度在250 ℃以下時(shí)，層間溫度對焊縫沖擊韌性影響較小。層間溫度高于250 ℃時(shí)，隨著層間溫度的升高，18MND5鋼焊接接頭沖擊韌性有所降低。層間溫度高于350 ℃以上時(shí)，焊接接頭沖擊韌性降低幅值較大。這也進(jìn)一步佐證了相關(guān)制造標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范要求焊接過程中嚴(yán)格控制層間溫度的合理性。

關(guān)鍵詞：層間溫度;沖擊韌性;核電用鋼;埋弧焊

0 前言

18MND5鋼為壓水堆核電主設(shè)備承壓邊界用主要材料之一，蒸發(fā)器、穩(wěn)壓器及壓力容器支撐構(gòu)件的母材均為18MND5[1-2]。壓力容器焊縫的質(zhì)量對核島一回路設(shè)備的運(yùn)行安全性起著至關(guān)重要的作用，焊接接頭的質(zhì)量是保證整個(gè)焊接結(jié)構(gòu)完整性和服役性能的重要因素。為保證焊接接頭質(zhì)量，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定需嚴(yán)格控制焊縫層間溫度，目前國內(nèi)核島主設(shè)備用18MND5鋼焊接時(shí)，技術(shù)條件一般要求嚴(yán)格控制層間溫度小于等于250 ℃。在核電主設(shè)備制造過程中，為滿足技術(shù)條件要求，在18MND5鋼焊縫進(jìn)行焊接工藝評定時(shí)，最高層間溫度一般控制在250 ℃。在實(shí)際生產(chǎn)制造過程中，由于生產(chǎn)條件的限制可能存在層間溫度超過250 ℃的情況，這種情況下焊縫質(zhì)量能否滿足要求，需要進(jìn)行研究。

材料的沖擊韌性是表征材料抵抗沖擊載荷的能力，夏比V型缺口沖擊試驗(yàn)對材料性能較為敏感，因此多用于評價(jià)焊接的工藝質(zhì)量。核島一回路設(shè)備在運(yùn)行過程中受輻照會(huì)產(chǎn)生脆化，材料的沖擊韌性會(huì)降低，因此對材料及焊縫的沖擊韌性要求較高。

文中對18MND5鋼在4種不同層間溫度下開展埋弧焊焊接試驗(yàn)，焊后在相同的熱處理?xiàng)l件下進(jìn)行消應(yīng)力熱處理。之后在試件焊縫及熱影響區(qū)取樣進(jìn)行沖擊韌性對比試驗(yàn)，研究層間溫度對焊縫沖擊韌性的影響，為核島一回路設(shè)備制造過程中焊接工藝的制定提供參考。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 母材及焊接材料

試驗(yàn)?zāi)覆臑?8MND5，是核島主設(shè)備常用Mn-Ni-Mo合金鋼，材料按RCC-M M2126“壓水堆承壓邊界用的18MND5 Mn-Ni-Mo合金鋼鋼板”標(biāo)準(zhǔn)制造和驗(yàn)收。18MND5的化學(xué)成分及力學(xué)性能如表1、表2所示。

采用低合金鋼埋弧焊焊絲、規(guī)格φ4 mm;焊劑牌號為Union S3NiMo 2、UV420TTR。焊絲化學(xué)成分如表3所示。

1.2 焊接工藝

（1）試件尺寸及坡口形式如圖1所示。

試件采用V型坡口，焊接時(shí)在試板背面加墊板，焊接完成后去除墊板。

（2）焊接工藝參數(shù)。

核島主設(shè)備焊接主要采用埋弧焊工藝，因此試驗(yàn)也選用埋弧焊。如表4所示，保持其他工藝參數(shù)不變，僅改變層間溫度，共進(jìn)行4組焊接試驗(yàn)。為保證試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，焊接過程中每層均進(jìn)行層間溫度測量。

由于試板尺寸較小，焊接過程中散熱較快，因此對于層間溫度大于350 ℃的焊接試驗(yàn)，在焊接過程中需要通過加熱管加熱至設(shè)定的層間溫度。試件焊后進(jìn)行消應(yīng)力熱處理，熱處理保溫溫度為595～620 ℃，保溫時(shí)間為7.8 h，是核島主設(shè)備用18MND5鋼焊縫常用的熱處理規(guī)范。

1.3 沖擊試驗(yàn)

對熱處理后的接頭取樣進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度為-20 ℃，沖擊試驗(yàn)溫度為核島主設(shè)備低合金鋼焊縫規(guī)定的沖擊溫度。試樣尺寸為10 mm×10 mm×55 mm，試樣缺口為V型。試樣垂直于焊縫軸線切取，試樣缺口底部垂直于試樣表面，并位于焊縫中心，一組沖擊試驗(yàn)包含3個(gè)試樣。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 無損檢驗(yàn)

對不同層間溫度下施焊的4組試件進(jìn)行無損檢驗(yàn)，UT、RT結(jié)果均合格，焊縫及熱影響區(qū)均未發(fā)現(xiàn)焊接缺陷。

2.2 焊縫金屬化學(xué)成分

分析焊縫金屬化學(xué)成分，如表5所示。由表5可知，隨著層間溫度的提高，焊縫金屬中Mn元素含量有所降低，但最大降低量僅為1%。焊縫金屬中其他化學(xué)元素隨著層間溫度的變化未發(fā)生明顯變化。

2.3 -20 ℃焊縫沖擊試驗(yàn)結(jié)果

-20 ℃焊縫沖擊試驗(yàn)結(jié)果如表6所示，不同的層間溫度對焊縫-20 ℃沖擊試驗(yàn)結(jié)果有所影響。

由表6可知，試件1為未預(yù)熱狀態(tài)下的焊接接頭，層間溫度低于80 ℃，焊接接頭的韌性較高，未出現(xiàn)冷裂紋，說明18MND5鋼冷裂紋敏感性不強(qiáng);當(dāng)層間溫度在250 ℃以下時(shí)，焊接接頭沖擊韌性較好，且層間溫度的變化對焊縫沖擊韌性影響較小;當(dāng)層間溫度提高至250 ℃以上時(shí)，隨著層間溫度的升高，焊接接頭沖擊韌性有所降低;當(dāng)層間溫度提高至350 ℃以上時(shí)，焊縫金屬-20 ℃沖擊功下降幅值較大，平均值降低至73.3 J，但仍滿足規(guī)范對焊縫沖擊韌性的要求。

2.4 焊縫金屬硬度試驗(yàn)

對不同層間溫度下施焊的4組試件焊縫金屬進(jìn)行硬度試驗(yàn)，結(jié)果如表7所示。

由表7可知，在其他焊接參數(shù)相同的條件下，層間溫度的變化對焊接接頭的硬度值影響較小，隨著層間溫度的升高，硬度值略有增加，但并不明顯，均不超過350 HV的規(guī)范要求。因此也表明隨著層間溫度的提高，焊縫中并未出現(xiàn)淬硬組織。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 沖擊斷口掃描電鏡觀察

觀察沖擊試樣斷口，斷口形貌無明顯差異。

層間溫度高于350 ℃的試件4斷口形貌如圖2所示，整個(gè)斷口面的啟裂區(qū)較大，其變形程度也較大，兩側(cè)的剪切唇均相對較寬。在掃描電鏡下觀察斷口的微觀形態(tài)發(fā)現(xiàn)，斷口啟裂區(qū)微觀形態(tài)呈韌窩狀，瞬斷區(qū)微觀形態(tài)呈解理狀。

從沖擊試樣斷口可見，沖擊試樣均為韌性斷裂，表明在不同層間溫度下焊接的焊縫均能滿足-20 ℃沖擊韌性斷裂的要求。

3.2 微觀組織觀察

不同層間溫度下的焊縫微觀組織如圖3所示。由圖3可知，對于層間溫度≤250 ℃條件下焊接的焊縫金屬，焊縫主要為針狀鐵素體加粒狀貝氏體組織，且晶粒細(xì)小。但隨著層間溫度的提高，焊縫金屬中開始出現(xiàn)少量的粗大條狀碳化物，為上貝氏體組織。因此，試件3、試件4的焊縫金相組織為粒狀貝氏體加少量上貝氏體組織。

3.3 分析

在焊接熱過程中，焊縫金屬在冷卻過程發(fā)生相變和重結(jié)晶，因此焊縫金屬的冷卻條件對焊縫金屬的組織和性能具有重要的影響[3]。層間溫度是影響焊縫金屬冷卻條件的因素之一，主要影響焊縫金屬在高溫的停留時(shí)間及冷卻速度，因此會(huì)對焊縫金屬的組織及性能造成影響。

18MND5為Mo-Ni-Mo低合金鋼，焊縫金屬典型的組織形態(tài)為貝氏體組織。焊縫的沖擊性能主要取決于其組織形態(tài)[4-5]。貝氏體是含碳過飽和的鐵素體和碳化物組成的機(jī)械混合物。根據(jù)貝氏體的形成條件不同，貝氏體以多種形態(tài)存在，不同的組織形態(tài)決定其力學(xué)性能。因此在不同層間溫度下施焊的焊縫金屬，焊縫金屬在高溫停留時(shí)間不同，冷卻速度不同，焊縫金屬的組織形態(tài)會(huì)有差異。

層間溫度較低、冷卻速度較快時(shí)，焊縫金屬在高溫停留時(shí)間短，會(huì)形成粒狀貝氏體。粒狀貝氏體由針狀的鐵素體上分布的粒狀滲碳體組成，晶粒細(xì)小，組織均勻，綜合力學(xué)性能較好，因此試件1、試件2焊縫金屬?zèng)_擊韌性好。

由于上貝氏體的形成溫度較高，鐵素體條粗大，碳的過飽和度低，上貝氏體中碳化物顆粒粗大，且斷續(xù)條狀分布于鐵素體條間，鐵素體條和碳化物的分布具有明顯的方向性，這種組織分布形態(tài)使得鐵素體條間容易產(chǎn)生脆性斷裂，而且鐵素體條本身也可能成為裂紋擴(kuò)展的路徑，因此上貝氏體的沖擊韌性較差[6]。在焊接過程時(shí)，隨著焊縫層間溫度的提高，焊縫冷卻速度降低，焊縫金屬在高溫區(qū)停留時(shí)間增加，為上貝氏體的形成提供了一定的條件。

當(dāng)層間溫度高于250 ℃時(shí)，由于層間溫度過高，焊縫金屬冷卻速度降低，焊縫金屬處于較高溫度時(shí)間較長，貝氏體的形成溫度較高，因此會(huì)產(chǎn)生粗大的碳化物。粗大的碳化物分布在鐵素體中，具有方向性，這種組織易于脆斷[1]。因此試件3、試件4焊縫金屬?zèng)_擊韌性有所降低。

4 結(jié)論

（1）18MND5鋼焊接時(shí)冷裂紋的敏感性不強(qiáng)，焊接時(shí)為優(yōu)化焊接操作環(huán)境可以適當(dāng)降低預(yù)熱溫度的要求。

（2）18MND5鋼焊接時(shí)層間溫度的變化對焊縫金屬化學(xué)成分影響較小，僅有Mn元素含量隨著層間溫度的提高略有降低，降低量均小于1%。

（3）18MND5鋼焊接時(shí)層間溫度對焊縫金屬硬度影響不大，隨著層間溫度提高，焊縫金屬硬度值有所增加，但均能滿足使用要求。

（4）18MND5鋼焊接時(shí)層間溫度低于250 ℃時(shí)，層間溫度對焊縫金屬?zèng)_擊韌性影響不大。

（5）18MND5鋼焊接時(shí)層間溫度高溫250 ℃時(shí)，隨著層間溫度升高焊縫沖擊韌性有所降低，層間溫度高于350 ℃時(shí)，焊縫中出現(xiàn)粗大的上貝氏體組織，焊縫金屬?zèng)_擊功降低較明顯。建議焊接時(shí)將層間溫度控制在250 ℃以下，最高層間溫度不應(yīng)高于350 ℃。

參考文獻(xiàn)：

[1] 楊文斗. 反應(yīng)堆材料學(xué)[M]. 北京：原子能出版社，2006：160-194.

[2] 上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計(jì)研究院. 壓水堆核電站核電主設(shè)備[M]. 上海：上?？茖W(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社，2008：79-114.

[3] 張文鉞. 焊接冶金學(xué)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1996：116-160.

[4] 楊巨文，李雙燕，張茂龍. AP1000核島主設(shè)備用的焊接材料和焊接工藝[J]. 發(fā)電設(shè)備，2015，29（6）：435-438.

[5] 薛小懷，王志穎，李天宇，等. CAP1400蒸汽發(fā)生器壓力邊界焊接接頭的顯微組織[J]. 機(jī)械工程材料，2018，42（2）：22-26.

[6] 崔忠圻. 金屬學(xué)與熱處理原理[M]. 黑龍江：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2007：207-212.