蒸汽发生器用SA-508Gr.3Cl.2 钢配套焊条J607HR 的研制

2020-04-27孙婷婷王猛陈波张学刚宋立群

机械制造文摘(焊接分册) 2020年1期

孙婷婷，王猛，陈波，张学刚，宋立群

(1.哈尔滨焊接研究院有限公司，黑龙江哈尔滨150028;2.哈尔滨威尔焊接有限责任公司，黑龙江哈尔滨150028)

0 前言

蒸汽发生器［1-2］是核反应堆一回路系统关键设备之一，其一次侧为一回路压力边界，在服役期间承受高温、高压和强放射性，二次侧为核蒸汽产生区，其承压部件所用的材料为可靠性较高的SA-508Gr.3Cl.2 钢，该锻件综合力学性能优良，能够提高蒸汽发生器的安全性［3-4］。为确保蒸汽发生器的顺利制造，急需开展SA-508Gr.3Cl.2 钢配套焊接材料的研制，来满足蒸汽发生器的制造。

SA-508Gr.3Cl.2 钢配套焊条长期依赖进口，未见国内有该焊条研制的相关报道，为打破国外对国内核电焊接材料的垄断，将开展蒸汽发生器用SA-508Gr.3Cl.2 钢配套焊条J607HR 的研制攻关工作。

1 试验要求与方法

1.1 试件制备

熔敷金属力学性能试板采用Q235 钢板，在坡口堆焊两层焊缝金属的过渡层，坡口形式为45°V 形对接，坡口根部间距为12 mm，试板尺寸400 mm×300 mm×20 mm。进行平焊位置焊接，具体焊接工艺参数见表1。力学性能试验在焊后热处理态608 ℃×24 h 下进行。

表1 焊接工艺参数

表2 熔敷金属化学成分的要求(质量分数，%)

1.2 化学分析

熔敷金属化学成分分析按照GB/T 223—1988《钢铁及合金化学分析方法》标准进行，蒸汽发生器焊接的技术要求对焊条熔敷金属的S，P，B 元素含量进行了严格的控制，化学成分要求见表2。

1.3 拉伸和冲击试验

室温拉伸试验按照GB/T 2652—2008《焊缝及熔敷金属拉伸试验方法》标准进行，高温全焊缝金属拉伸试验按照GB/T 4338—2006《金属材料高温拉伸试验方法》标准进行，试样直径φ10.0 mm。室温V 形缺口冲击试验按照GB/T 2650—2008《焊接接头冲击试验方法》标准进行，试样尺寸为55 mm×10 mm×10 mm。拉伸试验分别在室温和350 ℃下进行，冲击试验分别在室温和-10 ℃下进行，熔敷金属力学性能要求见表3。

表3 熔敷金属力学性能的要求

1.4 弯曲和落锤试验

弯曲试验按照GB/T 2653—2008《焊接接头弯曲试验方法》标准进行，取2 个侧弯试样，试样尺寸为200 mm×20 mm×10 mm。试验要求:试样拉伸面上无明显开裂，单个裂纹、表面气孔和夹渣的长度≤3 mm。

落锤试验按照NB/T 20004—2014《核电厂核岛机械设备材料理化检验方法》标准执行。试样采用P-3型，试样纵轴应垂直于焊缝，试样的缺口底部应平行于试样的表面，并位于试件焊缝的心轴线上。试验要求:试验温度-10 ℃下不断裂。

1.5 扩散氢和金相试验

水银法扩散氢按照GB/T 3965—2012《熔敷金属扩散氢测定方法》标准进行，试验要求:熔敷金属扩散氢含量≤5 mL/100 g(水银法)。

金相试样经特定溶液腐蚀后，采用光学金相显微镜拍摄照片进行观察研究。

2 试验结果与分析

2.1 焊条的工艺性能

以CaCO3-CaF2-TiO2-SiO2渣系为基础，该渣系含有较多的大理石、萤石和铁合金，从而降低了焊缝中氢和氧的含量，碱性渣系有利于提高熔敷金属的冲击韧性［5］。通过调整焊条药皮中碳酸盐、氟化物和铁合金的比例，使熔渣具有合适的粘度和表面张力，改善了药皮熔化的均匀性、电弧稳定性，提高了焊条立焊的工艺性能。试验结果表明，CaCO3/CaF2为2.0 ～2.4，含量为58%～62%(质量分数)为宜，较高的铁合金能够改善焊条药皮熔化的均匀性。

研制焊条工艺性能良好，主要表现在:焊缝成形美观，表面有金属光泽，波纹均匀，脱渣容易，不粘渣，飞溅小，电弧稳定，电弧吹力合适，能够适合平焊和立焊的操作要求。图1 为J607HR 焊条焊道形貌。

图1 J607HR 焊条焊道形貌

2.2 Mn，Si 元素对熔敷金属力学性能的影响

2.2.1 Mn 元素对熔敷金属力学性能的影响

研究了Mn 元素对熔敷金属抗拉强度和-10 ℃冲击吸收能量的影响。

图2 为Mn 元素对熔敷金属抗拉强度和-10 ℃低温冲击吸收能量的影响。熔敷金属的抗拉强度随着Mn 含量的增加而增加;当Mn 含量在1.54%～1.77%时，随着Mn 含量的增加，熔敷金属的-10 ℃冲击吸收能量下降明显;当Mn 含量在1.77%～2.02%时，随着Mn 含量的增加，熔敷金属的-10 ℃冲击吸收能量下降比较平缓。

从图2 可以看出，随着Mn 含量的增加，熔敷金属的抗拉强度明显增加，而低温冲击吸收能量先明显下降，后又平缓下降，这是因为Mn 元素是奥氏体化元素，能够扩大稳定奥氏体相区，推迟二次相变温度，同时还具有一定的细化二次组织的作用。当Mn 含量在1.54%～1.77%时，二次转变温度相对较低，先共析铁素体量较少，针状铁素体量较多，组织较细，在该成分范围内组织差异不大，因此低温冲击吸收能量变化不大，但当Mn 含量继续增加时，二次组织转变为较细的贝氏体+少量铁素体，熔敷金属强度明显增加，冲击吸收能量降低。

2.2.2 Si 元素对熔敷金属力学性能的影响

研究了Si 元素对熔敷金属抗拉强度和-10 ℃冲击吸收能量的影响。

图2 Mn 含量对熔敷金属抗拉强度和冲击吸收能量的影响

图3 Si 含量对熔敷金属抗拉强度和冲击吸收能量的影响

图3 为Si 元素对熔敷金属抗拉强度和-10 ℃低温冲击韧性的影响。熔敷金属的抗拉强度随着Si 含量(Si含量在0.26%～0.56%)的增加而增加;熔敷金属的-10 ℃冲击吸收能量随着Si 含量的增加而明显下降。

从图3 可以看出，随着Si 含量的增加，熔敷金属的抗拉强度明显增加，而低温冲击吸收能量明显下降，这是因为Si 元素起到脱氧作用，同时与其它元素形成的复合氧化物又为针状铁素体提供形核基础，随着Si 含量的增加，焊缝金属中含氧量减少，针状铁素体数量增加且细化，使得熔敷金属的抗拉强度明显增加;另一方面，随着Si 元素的增加也会促进先共析铁素体的形成，这是造成低温冲击吸收能量明显下降的原因。

2.3 熔敷金属化学成分及力学性能

通过优化熔敷金属的化学成分，研制的J607HR 焊条满足技术条件要求，熔敷金属的化学成分和力学性能结果分别见表4 和表5。考虑到脱氧问题，Si 含量没有设置到下限值;室温和350 ℃的抗拉强度的数值都较高，远大于技术条件要求，但是室温断后伸长率为23%，仅比技术条件要求高3%;室温和-10 ℃冲击吸收能量都较大，都比技术条件要求高80 J 以上。侧弯试验结果合格，表面无开裂，如图4 所示。在温度为-10 ℃下进行落锤试验，未断裂，如图5 所示。