热输入量对低合金钢焊缝表面不锈钢堆焊层性能影响研究

 浙江至德钢业有限公司采用不同热输入量的焊接参数在低合金钢焊缝表面堆焊不锈钢堆焊层，通过对横向侧弯试验结果和微观金相的研究，分析了热输入量对不锈钢堆焊层性能的影响趋势，对蒸汽发生器产品制造或焊接工艺评定具有一定的指导意义。

 蒸汽发生器是一回路冷却剂将核蒸汽供应系统的热量传给二回路给水，使之产生一定压力、一定温度和一定干度蒸汽的热交换设备。在蒸汽发生器制造过程中，与带放射性的一回路反应堆冷却剂接触的低合金钢表面需堆焊不锈钢堆焊层，其主要起耐腐蚀作用。因此，在蒸汽发生器设计中，处于与冷却剂接触的低合金钢焊缝表面也需要堆焊不锈钢堆焊层，采用带极埋弧堆焊，焊道宽且平滑，熔敷效率高，利于提高产品制造进度。本文通过采用不同热输入量的埋弧堆焊参数在模拟产品低合金钢焊缝的试件上进行不锈钢堆焊，研究热输入量对不锈钢堆焊层性能的影响趋势，对蒸汽发生器产品制造或焊接工艺评定具有一定的指导意义。

一、试验过程

 1. 母材和焊材

 试验母材采用与蒸汽发生器产品相同材质的SA-508Gr.3Cl.2锻件，其是ASME规范第Ⅱ卷A篇材料，公称化学成分为0.75Ni-0.5Mo-Cr-V，属低合金高强钢。由于含有较多的合金元素，碳当量达0.76%，焊接过程中热影响区具有较高的淬硬倾向，因此适当进行焊前预热、后热，控制焊接冷却速度是确保堆焊层母材热影响区不产生冷裂纹的必要条件。在焊接材料选用方面，除了焊带化学成分应满足要求外，堆焊层金属的各项力学性能也应满足要求，且焊带和焊剂还要具备优良的焊接工艺性能。焊剂对堆焊过程的稳定性有很大影响，而稳定的堆焊过程是获得可靠焊道质量的保证。根据对多个知名焊材厂家对比，我们采用了SAF公司生产的EQ309L/EQ308L/焊剂、E9018-G焊接材料。

 2. 坡口形式

 根据产品的实际情况，在母材和焊材准备就绪后，先采用E9018-G焊条将凹槽填充平整以便模拟产品低合金钢焊缝，然后再采用带极埋弧堆焊不锈钢堆焊层，首层采用EQ309L进行堆焊，其它层采用EQ308L进行堆焊，共堆焊三层。试件的坡口形式如图所示。

3. 焊接过程

 共焊接三副试件，其中每个试件低合金钢焊缝的焊接参数相同，但不锈钢堆焊层采用不同的热输入量的焊接参数进行堆焊，各试件的堆焊工艺参数见表。

 对于表中的热输入量，其计算公式如下：Q=U×I×60/v式中：Q——表示热输入量，单位为焦每毫米（J/mm）；U——表示电压，单位为伏特（V）；I——表示电流，单位为安培（A）；v——表示焊接速度，单位为毫米每分钟（mm/min）。焊后及热处理后对堆焊试件进行了PT和UT检测，结果全部合格。PT检测的合格标准符合ASME第Ⅲ卷的要求；UT检测需要采用直探头法进行100%的结合面完整性及缺陷的检测，测试方法符合ASME第Ⅴ卷的要求。试件焊接完成后进行了608±10℃/24h的消应力退火热处理。试件探伤合格后，在每个试件上分别制备4个横向侧弯试样，试样包括全部堆焊层金属及母材全部厚度，并按照ASME规范第Ⅸ卷的要求进行弯曲试验，合格指标为在弯曲后的凸面上沿任何方向测量，在焊缝和热影响区内不得有超过3.2mm的开口缺陷。

 4. 试验结果与分析

 在试件1上制备的侧弯试样中，4个试样均不合格，在堆焊层上不同程度地存在3.2-3.6mm开口缺陷，开口缺陷的数量较多，且均出现在EQ309堆焊层。在试件2上制备的侧弯试样中，有3个试样不合格，堆焊层上存在2.4-3.0mm开口缺陷，开口缺陷的数量较试件1弯曲试验的开裂有明显减少，但开裂还是出现在EQ309堆焊层。在试件3上制备的侧弯试样中，4个试样均合格，没有出现开口缺陷。为分析开裂原因，在试件1弯曲试样的开裂处制备微观试样进行检测。经分析，认为在焊接过程中热输入量过大且道间温度过高，造成晶粒粗大且马氏体在晶内和晶界处聚集引起脆化，致使弯曲时受拉伸力的作用沿晶界产生裂纹。

 为了能够与试件1弯曲开裂部位微观检测形成对比，在试件3上相似部位同样制备了微观试样进行检测。通过微观分析，由于降低了焊接热输入量，且严格堆焊过程，马氏体带较试件1弯曲开裂部位明显变窄，且晶界处的马氏体量也较前一次焊接的明显变少。

二、结论

 由分析结果可以看出，带极埋弧堆焊的热输入量对低合金钢焊缝表面的不锈钢堆焊层，特别是对EQ309L堆焊层性能的影响比较大。随着热输入量的降低，弯曲试样的开裂程度呈逐步下降的趋势，晶界处的马氏体明显减少。在蒸汽发生器产品制造或焊接工艺评定过程中，应对这种开裂趋势引起重视，以便保证不锈钢堆焊层的性能质量。