黃衛(wèi)東 柏忠煉 葉義海 王建 羅緒珍 王飛 潘曉東 李紅軍

摘要：針對(duì)核電站用S271低合金鋼上堆焊690鎳基合金，研究焊接速度、送絲速度和焊接電流對(duì)單層單道焊稀釋率的影響。結(jié)果表明，焊縫稀釋率與其均有關(guān)。當(dāng)焊接電流與焊接速度一定時(shí)，稀釋率隨送絲速度增大而降低;當(dāng)焊接電流和送絲速度一定時(shí)，稀釋率隨焊接速度的增加而增加;當(dāng)焊接速度和送絲速度一定時(shí)，稀釋率隨焊接電流的增大而增大。但是在熱輸入一定和焊接電流電壓保持不變的情況下，改變送絲速度與焊接速度幾乎不影響焊縫稀釋率。

關(guān)鍵詞：堆焊;稀釋率;低合金鋼;鎳基合金;焊接工藝

0 前言

核級(jí)S271低合金鋼是在18MnMoNb基礎(chǔ)上增加0.6%～0.9%的Ni制備而成，其基本成分與SA508-3鋼類似，主要作為壓水堆核電廠壓力容器用材料，如蒸汽發(fā)生器殼體、穩(wěn)壓器底部下封頭[1-2]。S271低合金鋼長(zhǎng)期處于高溫、高壓、輻照環(huán)境中以及一回路腐蝕介質(zhì)中，極易在焊縫處發(fā)生腐蝕泄露[3]。根據(jù)國內(nèi)外核電廠運(yùn)維經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)S271低合金鋼部件焊后熱處理困難的問題，主要通過回火堆焊的維修方式在原密封焊縫處堆焊一層耐蝕性更強(qiáng)的鎳基合金予以修復(fù)[4-5]。

采用室溫回火焊道焊接方法，參照美國ASME CodeCase卷的技術(shù)要求，考慮到焊縫的耐腐蝕性能，在低合金鋼堆焊鎳基合金時(shí)，若將第一層焊道作為設(shè)計(jì)層厚度，則堆焊首層Cr元素含量應(yīng)至少大于24%，否則第一層不計(jì)入堆焊結(jié)構(gòu)計(jì)算厚度。一方面核電廠的管道、容器密布，維修空間受限，堆焊層厚度受到嚴(yán)格控制;另一方面基于降低停堆維修時(shí)間，提高電站經(jīng)濟(jì)效益，堆焊首層稀釋率是一個(gè)關(guān)鍵工藝控制指標(biāo)。

文中旨在研究焊縫稀釋率的影響因素，以保證低合金鋼上堆焊鎳基合金關(guān)鍵元素滿足ASME標(biāo)準(zhǔn)要求，為核電廠焊接工藝的制定奠定基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)?zāi)覆臑楹思?jí)S271低合金鋼，組織為調(diào)質(zhì)態(tài)粒狀貝氏體，尺寸為φ110 mm×300 mm的棒材，化學(xué)成分如表1所示。焊材為φ1.0 mm的ERNiCrFe-7A鎳基合金焊絲，化學(xué)成分如表2所示。

1.2 試驗(yàn)方法

在S271低合金鋼上堆焊鎳基合金，堆焊焊材為ERNiCrFe-7A鎳基焊絲，焊接方法為GTAW，焊接位置為6G。焊接試驗(yàn)參數(shù)如表3所示，送絲速度變化設(shè)置為5組，從900 mm/min到1 300 mm/min依次遞增;焊接速度變化設(shè)置為6組，從90 mm/min到190 mm/min依次遞增;焊接電流變化設(shè)計(jì)為5組。分別研究送絲速度、焊接速度、焊接電流對(duì)單道焊稀釋率的影響規(guī)律。

1.3 分析方法

稀釋率δ是指焊縫截面積中母材熔入的面積與整個(gè)焊縫截面積的百分比，如圖1所示

試驗(yàn)采用金相法分析計(jì)算稀釋率δ。

2 結(jié)果與討論

2.1 送絲速度的影響

不同送絲速度下測(cè)量的焊縫形貌參數(shù)如圖2所示，截面金相如圖3所示。由圖可知，當(dāng)焊接速度和焊接電流不變時(shí)，送絲速度為900 mm/min，稀釋率為0.43;送絲速度為1 300 mm/min，稀釋率最小，為0.32。隨著送絲速度的增加，焊縫熔寬和熔深幾乎不變，焊縫余高緩慢增加，而熔敷區(qū)面積變化較大。這是因?yàn)楹附与妳?shù)不變時(shí)，僅增加送絲速度，在相同焊接熱輸入下母材區(qū)域熔化減少，減小了熔合區(qū)面積;而熔敷區(qū)面積隨送絲速度增加而增加，且增加幅度較大。因此，當(dāng)焊接電流和焊接速度保持不變時(shí)，稀釋率隨送絲速度的增加而降低。

2.2 焊接速度的影響

不同焊接速度下的樣品截面金相如圖4所示，焊縫形貌參數(shù)尺寸如圖5所示。在焊接電流和送絲速度保持不變時(shí)，稀釋率隨焊速的增加而降低，焊縫余高、熔寬、熔深均隨焊速的增加而降低。分析原因：焊接電流不變時(shí)，焊速增加，單位長(zhǎng)度上的熱輸入量降低，造成熔合區(qū)面積和熔敷區(qū)面積均減小，但是熔敷區(qū)面積減小幅度更為顯著，最終導(dǎo)致焊縫稀釋率的降低。

2.3 焊接電流的影響

保持焊接速度和送絲速度不變，焊接電流逐漸遞增后的樣品焊后截面形貌如圖6所示，焊縫形貌參數(shù)尺寸如圖7所示。由圖7可知，改變焊接電流對(duì)焊縫截面形貌影響較大，特別是熔寬。分析原因：當(dāng)焊接電流較小時(shí)，熔池?zé)o法完全鋪展開，熔深較小，因此熔合區(qū)面積較小，稀釋率較小;焊接電流較大時(shí)，熔池完全鋪開，熔合區(qū)面積顯著增加，但是由于送絲速度和焊接速度不變，隨著焊接電流的不斷增大，熔合區(qū)面積隨之增大，而熔敷區(qū)面積幾乎不變，稀釋率反而呈增大趨勢(shì)。

2.4 熱輸入的影響

以上研究表明，送絲速度、焊接速度和焊接電流均影響單層單道焊縫的稀釋率。就S271低合金鋼而言，核電運(yùn)維工程經(jīng)驗(yàn)表明，材料為S271低合金鋼的核級(jí)設(shè)備，其特種維修采用室溫回火堆焊工藝，免除核電廠在受限空間焊后的回火工序，參照ASME codecase，回火堆焊前三層熱輸入需嚴(yán)格控制，同時(shí)抗腐蝕性要求在控制熱輸入的同時(shí)控制稀釋率。因此，需要研究熱輸入與稀釋率之間的關(guān)系。對(duì)于半自動(dòng)或自動(dòng)GTAW，參照ASME標(biāo)準(zhǔn)QW-409.29熱輸入計(jì)算公式為：

稀釋率通過熔敷面積和熔合面積進(jìn)行計(jì)算，金相法所測(cè)的實(shí)際熔敷面積S1可由理論熔覆面積S理代替。理論上熔敷面積只與填充金屬絲的送絲速度和焊接速度有關(guān)，計(jì)算公式為：

由式（4）可知，當(dāng)焊接電壓、電流不變時(shí)，熔合區(qū)面積變化很小，因此熱輸入與稀釋率近似成正相關(guān);根據(jù)表3中焊接參數(shù)獲得的熱輸入與稀釋率的關(guān)系如圖8所示，與理論分析結(jié)果較好符合。值得注意的是，當(dāng)熱輸入不變且電壓與焊接電流恒定時(shí)，由圖3、圖5可知，熔合區(qū)面積S2幾乎不變，此時(shí)焊接速度和送絲速度對(duì)稀釋率幾乎沒有影響。因此在熱輸入不變的情況下，為使稀釋率保持不變，可通過改變送絲速度和焊接速度調(diào)整回火焊接工藝。

3 結(jié)論

在核級(jí)S271低合金鋼上堆焊鎳基合金，通過改變焊接參數(shù)研究單層單道焊稀釋率的變化規(guī)律，研究結(jié)果如下：

（1）稀釋率與送絲速度、焊接速度和焊接電流均有關(guān)。

（2）當(dāng)熱輸入和焊接電流、電壓不變時(shí)，送絲速度和焊接速度對(duì)稀釋率的影響可忽略不計(jì)。

（3）當(dāng)熱輸入和焊接電流、電壓不變時(shí)，可通過改變焊接速度和送絲速度來調(diào)整室溫回火焊接工藝，稀釋率不變。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李昌義，劉正東，林肇杰. 核電站反應(yīng)堆壓力容器用鋼的研究與應(yīng)用[J]. 特殊鋼，2010，31（4）：14-17.

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