三代核电锻件材料落锤试验无效的工艺试验研究

杨在青，王振星，李冠军，聂玉清

（上海核工程研究设计院有限公司，上海 200233）

三代核电建造过程中，国内很多的制造厂参与设备制造活动，在制造过程中有时会存在一些问题，长时间难以得到解决，对设备的交付进度造成了很大的影响。为了保障设备交付的质量，以及满足核电建造的需要，设备采购方针对此类情况会积极协调设计院、制造厂进行沟通交流，适时进行帮扶指导，推动质量问题的顺利解决。

1 概述

国内某制造厂在承制三代核电某型贯穿件锻件的过程中，落锤试验出现较多无效的情况，需重新取样进行再次试验。贯穿件锻件设备材料牌号为SA-336 F22 CL.3。

2 试验执行情况核查及无效原因分析

在质量问题发生后，对该制造厂所承制的三代核电某型锻件落锤试验的情况进行了梳理，发现SA-336 F22 CL.3材料的锻件基本都存在无效的情况。设计院批准的此类贯穿件锻件试验方案为进行通过性试验，即在确定的温度对每个位置2个落锤试样进行落锤试验,2个均未断裂视为合格。

2.1 试验执行情况核查

对制造厂落锤试样制备到试验执行过程进行了核查，未发现明显不符合规范的情况：落锤试验按照ASTM E208-1991，选择P3试样，落锤冲击能量按照产品实际屈服强度的数值对应ASTM E208-1991表来选择。裂纹源焊材选用D127(EDPMn4-15)为低合金钢堆焊焊条(GB/T984-2001)，为制造厂多年来一直使用的焊材。

2.2 无效原因分析

初步分析试验无效可能是因为落锤试验按照ASTM E208-1991表1确定的标准冲击能量不够。检查了无效试样与试验机底座的接触情况，发现存在接触痕迹，说明不能满足标准中增加冲击能量的条件。

3 工艺试验的开展

3.1 焊材工艺试验（采用45Mn材料）

制造厂采用45Mn材料执行了对所用裂纹源焊材D127（EDPMn4-15, Φ4.0，批号：17721301）的工艺试验，试验情况如下：

3.1.1 试样的制备情况

共准备10件P2试样，焊接6件,其他4件备用。本次焊材焊接前未进行烘干处理（采用其他厂家的常规做法），试样1、2、3采用电流180A, 试样4、5、6采用电流190A。采用铜模板，试样在水箱中进行焊接。

3.1.2 试验过程

试验依据ASTM E208-1991，试验温度为室温25℃（注明：各方认可按照SA-336 F22 CL.3材料来选定工艺试验温度，根据之前对标准的理解，焊材工艺试验温度应为TNDT温度以上55℃，按照已经设计院批准的试验方案，SA-336 F22 CL.3材料最低的TNDT温度为-33℃，故试验温度需高于22℃）,冲击能量根据实际屈服强度的数值选择350J（之前已通过拉伸试验得出这批45Mn试料的屈服强度为329MPa）。

试验结果：试样2、6开裂，其他试样断裂，未出现无效试样。

3.1.3 试验结果分析及后续计划

本次落锤试样的制作工艺及试验过程与之前产品试验所用工艺基本相同，除了试料材质差异（材料采用45Mn，未进行模拟焊后热处理）、试样形式差异（工艺试验P2试样，试样产品P3试样）、焊材未进行烘干处理以及增加了采用190A电流的3个试样，未出现无效试样，基本可以排除焊接电流等因素对试验结果的影响。

其后用备用试料又补充制作了2件试件（采用焊条350℃烘干1h，分别为7#、8#试样），试验结果为7#试样开裂，8#试样断裂，基本可以排除焊材烘干对试验结果的影响。各方据此初步认可了制造厂所用库存焊材的选择及焊接工艺的可行性，同意制造厂可按降温方案进行产品工艺试验。

3.2 产品工艺试验（降温方案）

3.2.1 试样的制备情况检查

制造厂选取试料充足的1件SA-336 F22 CL.3材料锻件两端头取样进行了试验，每个位置准备8件P3试样，焊材为所用库存D127焊材（EDPMn4-15，Φ4.0，批号：17721301）。试料模拟焊后热处理参数与正式试验时相同，焊前焊材350℃烘干1h，电流180A。采用铜模板，试样在水箱中进行焊接。

3.2.2 试验过程

试验依据ASTM E208-1991，冲击能量根据产品实际屈服强度的数值选择400J，温度保温45min。

（1）原温度试验。2个位置各取1件按经设计院批准的试验方案规定的温度-10℃进行试验；结果：2件均无效。

（2）降低20℃试验。2个位置各取1件在-30℃进行试验；结果：2件均无效。

（3）再降低15℃试验。2个位置各取2件在-45℃进行试验；结果：T端1件开裂，1件断裂；B端2件均开裂（合格）。

（4）T端升高5℃试验。T端在-40℃进行试验，结果：一共打了4件，第1件无效，第2件开裂，第3件无效，第4件开裂（T端有2件开裂，合格）。

3.2.3 试验结果分析及后续计划

本次工艺试验在原规定温度进行落锤试验仍然无效，通过降低温度进行试验最终取得了有效结果，但是试验过程中还是出现了2件无效。

3.3 对工艺试验试样进行金相分析

制造厂随机抽取了已完成试验的SA-336 F22 CL.3（不合格、无效、合格）和45Mn（合格、不合格）材料落锤工艺试验试样各一件进行了金相分析（宏观金相、微观金相），得出的结论是：同种材料不同试验结果的落锤试样金相组织没有明显差别，焊缝组织较细，无明显脆性组织；其后，制造厂又补充对之前SA-350 LF2 CL.1材料落锤试验合格的一件试样进行了金相分析，也未发现明显脆性组织。

3.4 焊材工艺试验（使用SA-336 F22 CL.3材料做为试料）的执行

3.4.1 试样的制备情况检查

选取试料充足的1件SA-336 F22 CL.3材料锻件取样进行了试验，准备8件试样，其中4件P2试样（制造厂焊接、试验），焊材为库存D127焊材（EDPMn4-15），Φ4.0，批号：17721301；4件P3试样（试料模拟焊后热处理后提供给第三方制造厂用自用焊材焊接、试验）。8件试料同炉进行模拟焊后热处理，参数与正式试验时相同。

3.4.2 试验过程及结果分析

试验温度为10℃（根据前期工艺试验的结果，各方一致认为SA-336 F22 CL.3材料的TNDT温度应该在-45℃，焊材工艺试验温度应为TNDT温度以上55℃，所以试验温度确定为10℃）,冲击能量根据产品实际屈服强度的数值选择400J。试验结果：4件P2试样均无效。

对已完成试验的4件P2试样进行了观察，确认无明显与底座接触的痕迹；对试验机底座尺寸进行了复测，未发现问题；在这4件P2试样中随机选取2件再次进行落锤冲击，试验温度为常温（32℃左右），其中1件冲击能量增加68J，另一件增加136J，结果为：试样表面有明显与底座接触痕迹，但是，试验结果仍旧无效。

3.5 工艺试验（制造厂提供试料，第三方制造厂用自用焊材焊接、试验）执行

3.5.1 试样的制备情况检查

4件P3试样由制造厂提供，试件情况见3.4.1章节；裂纹源焊材为第三方制造厂自用CHR127焊材（EDPMn4-15，φ5.0），批号：158054；本次焊接由第三方制造厂经验相对丰富的焊工施焊，焊接参数满足制造厂落锤试样焊接工艺规程的要求，焊前焊材350℃烘干1h，电流190～195A。采取逐件制作试样，共制作2件试样，剩余2件备用。

3.5.2 试验过程

试验依据ASTM E208-1991，按照设计院批准的产品试验方案，试验温度为-10℃，保温45min，冲击能量根据产品实际屈服强度的数值选择400J。试验结果：2件试样焊缝均开裂，试验有效。

3.5.3 试验结果分析及后续计划

各方据此认为，制造厂所用库存焊材存在问题的可能性较大，建议进行双向对比试验，即由第三方制造厂提供自用焊材给制造厂进行试验，同时，由制造厂提供所用库存焊材给第三方制造厂（使用制造厂提供的剩余2件P3试样）进行试验。

3.6 工艺试验（制造厂提供试料及库存焊材，第三方制造厂焊接、试验）执行

3.6.1 试样的制备情况检查

试样为章节3.5.1备用的2件P3试样；焊材为制造厂提供的库存D127焊材D127（EDPMn4-15,Φ4.0，批号：17721301）；由第三方制造厂经验相对丰富的焊工施焊，焊接参数满足制造厂落锤试样焊接工艺规程的要求，焊前焊材350℃烘干1h，电流180～185A。

3.6.2 试验过程及结果

试验依据ASTM E208-1991，按照设计院批复的产品试验方案，试验温度为-10℃，保温45min，冲击能量根据产品实际屈服强度的数值选择400J。仅对1件试样进行了试验，另一件备用。同时，对制造厂提供的一件已制备好的SA-336 F22 CL.3材料落锤试样进行了试验。试验结果：2件均无效。

3.7 工艺试验（由制造厂用第三方制造厂焊材焊接、试验）的执行。

3.7.1 试样制备情况检查

焊材由第三方制造厂提供，CHR127焊材（EDPMn4-15），φ5.0，批号：158054。

制作2件试件，试料取自1件试料充足SA-336 F22 CL.3材料锻件，模拟焊后热处理参数与正式试验时相同。试样水箱中焊接，焊前焊材350℃烘干1h，电流190A。

3.7.2 试验过程及结果

试验依据ASTM E208-1991，按照设计院批准的产品试验方案，试验温度为-10℃，保温45min，冲击能量根据产品实际屈服强度的数值选择400J。结果：2件试样试验结果均有效。

3.7.3 试验结果分析及后续计划

根据以上已完成的工艺试验结果，各方一致认为：落锤试验无效的原因为制造厂之前所使用的库存焊材与SA-336 F22 CL.3材料不匹配，建议制造厂立即重新采购焊材并在使用前进行焊材工艺试验。

4 新购焊材的工艺试验

4.1 试样的制备情况检查

准备3件P2试样，裂纹源焊材为新购的CHR127焊材（EDPMn4-15），φ4.0， 批 号：178018； 试 料 取 自 1件试料充足的SA-336 F22 CL.3材料锻件，制作工艺同章节3.2.1，试样加工后尺寸满足ASTM E208-1991中P2试样的要求。

4.2 试验过程及结果

试验依据ASTM E208-1991，冲击能量根据实际屈服强度的数值选择400J，焊材工艺试验温度为10℃，保温45min。结果：3件均开裂，有效。

4.3 试验结果总结及后续措施

针对新购焊材的焊材工艺试验，试验结果为3件试样均开裂，满足标准要求。通过所完成的一系列工艺试验，各方认为已确定了之前落锤试验无效的原因为制造厂所用库存焊材与SA-336 F22 CL.3材料不匹配，新购焊材工艺试验能够满足标准要求，可用于产品落锤试验。

5 结语

经过大量的工艺试验，最后证明是制造厂所用裂纹源焊材与产品材料不匹配，虽然所用焊材牌号为国内制造厂普遍采用，原材料质量证明文件、入厂验收也符合要求，但是，因为焊材生产厂家不同，焊材性能可能会存在一定差异。

对新材料产品或者采用新厂商生产的焊材，建议制造厂在开始使用时或者出现无效的情况后，按照标准进行焊材工艺试验，以验证裂纹源焊材与产品材料的匹配性。