接管内壁堆焊界面剥离问题研究

2019-04-08，，

压力容器 2019年2期

，，

(上海电气核电设备有限公司，上海 201306)

0 引言

接管安全端是反应堆压力容器接管与一回路主管道连接的过渡部件，其中接管由18MND5低合金钢锻造而成。为提高与接管及主管道的可焊性，通常在内壁堆焊一定厚度的309L/308L不锈钢[1]，这其中涉及低合金钢与不锈钢的异种合金焊接。关于异种合金焊接,国内外已开展大量研究[2]，但大多数聚焦于熔合线附近的组织[3]、腐蚀性能[4]、应力模拟[5]等，对于实际产品焊接过程中所遇到的界面剥离问题报道较少。在实际生产中，18MND5接管内壁堆焊309L/308L时的界面剥离问题始终是核电设备制造的难点之一。

本文以18MND5接管内壁309L/308L不锈钢堆焊为研究对象，通过分析界面剥离试样以及工艺试验，从结构应力、组织应力角度研究界面剥离的机理,并结合生产实际，从挡渣环设计、焊道排布以及焊接线能量控制的角度提出改进措施。

1 试验研究

1.1 材料及工艺

在核电设备制造过程中，带极埋弧自动焊工艺常应用于低合金钢表面不锈钢耐蚀层堆焊，这主要是由于埋弧焊接具有较高的效率以及焊接过程中熔渣起到有效保护熔池和电弧区、提高焊缝质量的作用。不锈钢与低合金钢焊接时，母材会发生局部熔合，不锈钢的合金元素被稀释。相对于308L，309L的合金元素含量较高，其浓度降低后形成的焊缝金属组织为奥氏体+铁素体，是较为理想的过渡层焊接材料。因此，在实际的堆焊过程中，首先采用带极埋弧焊在18MND5低合金钢表面进行309L过渡层堆焊，然后堆焊若干层308L不锈钢(见图1)，图2示出实际的施焊过程。本文研究所用18MND5低合金钢、309L及308L不锈钢的合金成分如表1所示，焊接工艺参数如表2所示，预热后热及热处理工艺参数如表3所示。

图1 堆焊示意

图2 带极埋弧堆焊实物图

表2 EQ309L+EQ308L焊接工艺参数

表3 预热后热及热处理工艺参数

1.2 试样分析

为清晰表征堆焊后焊缝金属及热影响区的组织形貌，首先使用15%铬酸水溶液对309L进行电化学腐蚀，腐蚀电压、电流分别为1.5 V，22 mA/cm2。利用4%硝酸酒精对低合金钢的组织进行刻蚀。利用Axiovert 40MAT光学显微镜(OM)及VEGA3XMU扫描电镜(SEM)表征焊缝金属及热影响区的显微形貌。利用Tukon2100B型显微硬度计、选用50 g载荷对熔合线附近组织的微硬度予以表征，为反映热影响区不同组织的显微硬度的变化趋势，测量时相邻测量点的间距为100 μm。

2 结果及讨论

2.1 缺陷分析

对接管内壁进行单层309L及多层308L不锈钢堆焊后，在18MND5与309L界面处发生剥离破坏。界面剥离试样的纵截面及表面形貌如图3所示。由图3(a)纵截面形貌可知，界面剥离发生于熔合线位置，一侧为18MND5低合金钢，另一侧为309L不锈钢。由图3(b)，(c)剥离试样的表面形貌可知，剥离界面已发生氧化，说明其界面剥离发生于高温阶段。

图3 界面剥离处纵截面及表面形貌

2.2 工艺试验

为进一步分析界面剥离发生的机理，采用与产品相同的母材、焊材、焊接工艺及热处理参数，在18MND5试板上进行309L/308L多层埋弧堆焊，焊后试板截面宏观形貌如图4所示。当堆焊至第6层时，在局部堆高的位置发生界面剥离。根据图5(a)剥离位置的微观形貌可知，裂纹形成于18MND5/309L的熔合线位置，这与实际产品发生剥离的情况相同。对未发生剥离试样的纵截面，选用50 g载荷对其硬度分布予以表征，结果如图5(b)所示。根据压痕尺寸可知，图5(b)椭圆区域中的压痕尺寸最小，即其硬度值最大，并且该区域位于18MND5与309L界面附近。为进一步研究该区域显微特征，采用SEM予以表征，结果如图6所示。在紧邻熔合线靠近309L侧存在厚约30 μm的马氏体层[6]。

图4 试板堆焊后截面宏观形貌

(a)剥离位置

(b)未剥离位置

图6 18MND5/309L熔合线附近SEM形貌

2.3 讨论

2.3.1 焊道排布对残余应力的影响

在工艺试验或者产品堆焊时，由于对焊道排布没有明确的规定，通常会采用如图7(a)所示排布，即堆焊后4个端面几乎处于同一垂直平面上。18MND5低合金钢、309L不锈钢的热膨胀系数分别为11.5×10-6/K，14.4×10-6/K。堆焊过程中，不锈钢的热膨胀系数相对低合金钢较大，因此在堆焊层中将产生拉应力，而低合金钢侧产生压应力，导致18MND5/309L界面处产生较大的残余应力。堆焊层的端面处拘束度较小以及界面处较大的残余应力，导致端面处容易发生界面剥离，即在第1层的第1道或最后一道位置。根据以上分析可知，为防止界面剥离，须降低第1堆焊层起始及最终焊道的应力集中，故采用图7(b)所示具有梯度过渡性质的焊道排布。

(a) (b)

图7 焊道排布示意

2.3.2 组织应力对应力集中的影响

由图5，6分析可知，异种合金焊接过程中，界面附近形成相对于不锈钢及低合金钢强度较高、塑性差的马氏体组织[7]。在焊接残余应力的作用下较易在界面附近形成应力集中，诱发裂纹萌生及扩展，因此，熔合线附近组织应力与马氏体层厚度相关。马氏体层的形成是由于堆焊过程中重熔的母材组织与焊缝金属熔合所形成，如图8所示。熔合线附近的组织由母材稀释率决定，如表4所示。随着稀释率增大，熔合线附近靠近309L侧的组织逐渐由奥氏体+铁素体向奥氏体+马氏体转变。由图6中的组织分析可知，在熔合线附近309L侧存在厚约30 μm的马氏体层，即母材的稀释率高于40%。因此，降低309L堆焊层线能量可实现降低母材稀释率、减小马氏体层厚度，进而降低熔合线附近组织应力的作用。

图8 舍夫勒相图

稀释率20%24%30%35%40%组织奥氏体+铁素体(5%～6%)奥氏体+铁素体(3%)纯奥氏体奥氏体+少量马氏体奥氏体+马氏体

2.4 产品应用

2.4.1 接管内壁堆焊工艺改进

对接管内壁进行不锈钢堆焊，其中堆焊层厚度最厚处约30 mm。实际堆焊接管内壁时，通常会在接管端部焊接挡渣环(如图9(a)所示)，挡渣环由薄壁板制成，宽厚比>5。堆焊时，焊道起始于挡渣环位置，并且每层焊道的错边量较小。由于挡渣环宽厚比较大、刚度较小，在堆焊时，因焊接热应力作用使得挡渣环上翘，导致挡渣环与接管交界的焊道产生应力集中，进而萌生裂纹。为避免端面处堆焊层界面的应力集中，应提高挡渣环的刚度、降低其焊接变形，即采用宽厚比较小的挡渣环替代传统的挡渣环，并且每一层焊道应保证一定的错边量。

(a) (b)

图9 接管内壁堆焊挡渣环焊接示意

根据上文分析，改用宽厚比为1的挡渣环，如图9(b)所示。此外，保证每一层焊道的错边量为5 mm。采用表2，3中参数对接管内壁进行堆焊，结果表明，通过调整挡渣环结构以及焊道间错边量，有效地避免了界面剥离的发生。

2.4.2 焊接线能量控制

为降低母材稀释率，对第1层309L不锈钢堆焊采用钨极氩弧焊(TIG)工艺，焊接过程中采用小的焊接速度，并增加焊丝送丝量。其余308L层仍采用埋弧焊，相应焊接参数如表5所示。堆焊后试样的截面形貌如图10所示，可以看出，熔合线靠近309L侧的马氏体层厚度约为5 μm，其马氏体层宽度显著降低，从而实现了降低熔合线附近组织应力的作用。