Z6CNDU20-08M循环泵叶轮铸造缺陷补焊工艺

2022-02-01王美丽李元涛

机械制造文摘(焊接分册) 2022年6期

王美丽，李元涛

(烟台台海玛努尔核电设备有限公司，山东烟台 264003)

0 前言

公司承制的用于国外某核电站机组的循环泵叶轮，材质为欧标牌号RCC-M M3407 Z6CNDU20-08M，是由21%Cr，8%Ni，2.7%Mo，0.1%N(质量分数)等合金成分组成的低碳双相不锈钢，其为铁素体(α)-奥氏体(γ)双相组织，组织中两相组织约各占一半。其兼有奥氏体不锈钢的优良的韧性和焊接性，及铁素体不锈钢的高强度和耐氯化物应力腐蚀性能。与奥氏体不锈钢相比，其耐应力腐蚀性提高；与铁素体不锈钢相比，其冲击韧性提高，因此被广泛用于核电站循环泵叶轮。

近十几年，公司承制了国内外30多套核电机组循环泵叶轮，叶轮采用静态铸造工艺制造，铸造后按客户技术条件对叶轮进行渗透、射线等无损检测，对于检测出的铸造超标缺陷，将采用焊接补焊的方式进行修复。为了确保焊接修复部位的强度及耐氯化物腐蚀性能，根据双相不锈钢材料特性，其性能主要取决于焊接接头的双相组织。因此在焊接过程中控制焊接接头的双相相比是关键所在。

根据客户采购技术规范要求，叶轮焊接修复前需按照《压水堆核岛机械设备设计及建造》RCC-M S篇标准规范进行补焊工艺评定，以确定叶轮合理的补焊修复工艺。

1 焊接技术要求及准备

所制造的循环泵叶轮是核电机组核3级部件，其结构如图1所示。其铸造缺陷补焊修复应遵循RCC-M M3407 中对叶轮的补焊要求。

图1 叶轮结构示意图

依照RCC-M S焊接篇标准策划焊接工艺评定技术文件，并确定焊评试件形式及所覆盖叶轮补焊厚度。

叶轮补焊工艺方案：采用焊条电弧焊，环境温度在0 ℃以上时不需预热，焊接时控制层间道间温度。

2 焊接工艺评定方案及无损检验

2.1 评定试板及焊接材料的选择

评定所用材料采用与叶轮同材质Z6CNDU20-08M的铸造试板进行补焊，母材热处理状态与叶轮产品热处理状态相同，即固溶热处理+水淬。制备尺寸为1 000 mm×400 mm×100 mm的试板，试板中间加工60 mm深度凹槽，坡口角度30°±5°，凹槽底部宽15 mm，模拟铸件补焊形式，横焊位置，焊接接头形式如图2所示。

图2 接头横断面模拟补焊示意图

对于双相不锈钢的焊接材料通常选用比母材Ni元素含量稍高的合金含量焊材，以保证焊缝金属有足够的奥氏体[1]；选用Cr元素含量比母材稍高的合金焊材，以确保焊缝具有优良的耐腐蚀性；焊材化学成分与母材相同，力学性能与母材相近似，满足海水循环泵叶轮使用时耐腐蚀等性能要求，且宜选择低氢型焊条，以减少扩散氢对焊接的影响。根据上述原则，结合生产实际对比分析，选择SFA-5.4 E2594-16低氢型焊条，施焊前经300～350 ℃烘焙1～1.5 h。母材和焊材化学成分见表1。

表1 母材及焊材的化学成分 (质量分数，%)

根据母材和焊材化学成分，可先预测母材和焊材点蚀当量：PRE(N)m=1%Cr+3.3%Mo+16%N=32.01，PRE(N)w=1%Cr+3.3%Mo+16%N=42.12；由此可判定，母材和焊材的点蚀当量均可满足客户的要求(PRE(N)≥30.85)。

2.2 焊前准备

组焊前对评定试板进行渗透检测(PT)、射线检测(RT)，以确保焊接工艺评定试验结果不受母材试板质量的影响,而导致焊评数据分析判定不准确。

组焊前用丙酮清洗试板坡口及两侧油污等，当环境温度在0 ℃以下时，需对试件进行预热，预热温度20～60 ℃即可。

2.3 焊接工艺要点

从双相不锈钢的焊接性分析可知，要获得奥氏体组织占优势的双相组织(即A-F型)，关键一点是要有适宜的冷却速度和焊接工艺参数。控制焊接工艺参数，焊接热输入和层间温度对双相不锈钢的相平衡起着关键的作用，过低的焊接热输入会使奥氏体的转变量减少，甚至会抑制焊后冷却过程中铁素体的转变，得到少量的奥氏体；过高的焊接热输入冷却速度太慢，使焊缝金属及焊缝热影响区的晶粒粗大以及σ等有害相的析出，造成焊接接头脆化[2]。因此合理的工艺措施是控制焊接热输入为0.5～1.5 kJ/mm，厚板热输入应较大、薄板较小，以达到奥氏体-铁素体组织中奥氏体稍占优势的平衡相，并控制层间温度不超过150 ℃，若层间温度过高，在敏化温度区间停留时间长，则可能生成金属间化合物脆化相，这对韧性和耐腐蚀性都不利。

焊接时，采用多层多道焊，低熔合比，后续焊道对前层焊道有热处理作用，前道焊缝中γ组织进一步析出占优势的两相组织，因此热影响区(HAZ)组织的γ相也会增多，从而使整个焊接接头组织性能显著改善，盖面层加焊退火焊道，然后打磨去除；避免不加填充金属的焊接，因为焊缝金属中易产生较高δ铁素体；避免焊缝金属扩散氢含量过高，以免诱发焊接裂纹；因引弧区冷却速度较大，易导致引弧区铁素体含量过高，不可在母材或焊缝外引弧。

评定试件焊接位置为横焊，焊接时按照预焊接工艺规程p-WPS进行焊接，焊接工艺参数见表2。

表2 焊接工艺参数

2.4 焊后消应力热处理

由于双相不锈钢对300～1 000 ℃的温度很敏感，在300～700 ℃进行消应力热处理会导致σ相析出及产生475 ℃脆化现象，从而引起韧性和耐腐蚀性降低；而在700～1 000 ℃进行消应力热处理会导致金属间化合物的析出，同样会引起韧性和耐腐蚀性的降低[3]。根据RCC-M M3407标准及客户采购技术规范，结合实际产品，双相不锈钢Z6CNDU20-08M在补焊后不需要进行焊后热处理。

2.5 评定试件的无损检验

评定试件的无损检测主要是验证补焊后是否产生超标的焊接缺陷，对于无损检测出的焊接缺陷，进行原因分析，以避免在叶轮产品补焊时产生焊接缺陷。

(1)外观检验：按照RCC-M MC7000的要求，对评定试件焊缝表面进行目视检验和尺寸检验。未发现有咬边、凹坑、表面气孔、裂纹及焊瘤等缺陷，满足MC 7000的验收要求。

(2)渗透检验：按照RCC-M MC4000的规定对焊缝进行渗透检验。焊缝表面未见不良缺陷，探伤结果满足RCC-M MC4000的验收规定。

(3)射线检验：按照RCC-M MC3300的规定对焊缝进行射线探伤，探伤结果均为I级，满足RCC-M MC3300的验收规定。

通过对焊接评定试件的无损检测验证，评定试件的焊接质量满足叶轮产品补焊的质量要求，说明焊接工艺参数控制合理。

3 焊接工艺评定破坏性试验

通过对评定试件进行破坏性取样，对焊接接头进行微观分析、化学成分及铁素体含量测定、力学性能及耐腐蚀试验，验证焊接工艺的合理性，从而验证焊缝是否满足产品要求的耐腐蚀性和力学性能等各项指标。

3.1 评定试件焊接接头组织分析

按照RCC-M SI400规定对评定试件的焊接接头进行宏观取样，并对试样进行腐蚀，焊接接头区域未见未熔合、气孔、夹渣、未焊透、裂纹等缺陷。

在显微镜下观察焊缝根部、熔敷金属、熔合线、热影响区，结果如图3所示，微观组织为铁素体(α)+奥氏体(γ)双相组织，从微观组织分析，奥氏体组织比例略高于铁素体组织，未见不良化合相和沉淀物析出。

图3 焊缝微观组织形貌

3.2 化学成分及铁素体含量测定

对熔敷金属试样进行化学成分分析，结果见表3。

表3 熔敷金属化学成分 (质量分数，%)

按照ASMT E562法对试样进行铁素体含量测定，结果见表4。

表4 铁素体含量测定结果(质量分数，%)

通过熔敷金属化学成分验证点蚀当量PRE(N)=1%Cr+3.3%Mo+16%N=42.3，满足标准及客户技术条件的要求。

母材、热影响区及焊接接头的铁素体含量为30%～40%，形成奥氏体组织略占优势的双相组织，具有优良的耐腐蚀性。

3.3 力学性能试验

根据ISO 15614-1中7.4.1要求，按照ISO4136进行横向拉伸取样，根据ISO 15614-1中7.4.2要求，按照ISO 5173进行横向弯曲取样，对焊接接头进行横向拉伸试验、横向弯曲试验、冲击试验、硬度检测等力学性能试验，试验结果均符合要求，见表5。

表5 焊缝力学性能试验结果

力学性能试验表明，焊接接头具有较好的拉伸性能、屈服强度及塑形，优良的冲击韧性和硬度，焊接接头力学性能满足要求。

3.4 耐腐蚀试验

为验证焊缝耐腐蚀性能，按照ASTM G48 A法对焊接接头进行耐点蚀及缝隙腐蚀试验，试验温度22 ℃，在6%FeCL3溶液浸蚀剂下24 h，腐蚀重量损失不超过0.5 mg/cm2，评定试验腐蚀量结果为0.04 mg/cm2，满足技术条件要求。

按照RCC-M MC1000 A法对焊接接头进行晶间腐蚀试验，试样在浸蚀剂10%CuSO4·5H2O，10%H2SO4，80%H2O铜粒中腐蚀24 h，然后进行675 ℃敏化处理，保温10 min。经对敏化腐蚀试样和焊态试样进行180°弯曲试验，弯曲后敏化腐蚀试样及焊态试样受拉面均未见裂纹等晶间腐蚀现象，晶间腐蚀满足技术条件要求。

耐腐蚀试验验证了该双相不锈钢焊接后具有优良的耐腐蚀性，在含氯化物的环境中抗应力腐蚀能力较强。