蒸汽发生器用钢配套焊条的研制

　　孙婷婷王猛陈波张学刚宋立群
　　摘要：针对蒸汽发生器用SA508Gr。3Cl。2钢配套焊条大多依赖进口的现状，开展了SA508Gr。3Cl。2钢配套焊条J607HR的研制工作。结果表明，通过合理调整焊条药皮中的碳酸盐、氟化物和铁合金的比例，当CaCO3CaF2为2。0～2。4，总量为58～62，铁合金比例较高时，能够获得良好的工艺性能。焊缝成形美观，脱渣容易，飞溅小，电弧稳定，可以实现平焊和立焊焊接，并且具有优良的力学性能。
　　关键词：蒸汽发生器；焊条；全位置焊接
　　中图分类号：TG421
　　Abstract：AimingatthecurrentsituationthattheweldingofthesteamgeneratorSA508Gr。3Cl。2steeldependsontheimportedelectrodes，coveredelectrodeJ607HRforSA508Gr。3Cl。2steelwasstudied。Theresultsshownthatproperlybyadjustingtheproportionofcarbonate，fluorideandferroalloyinthecoatingoftheelectrodewith2。02。4ratioofCaCO3CaF2and5862totalamount，theproportionoftheferroalloyishigh，goodprocessperformancecanbeobtained。Theweldisbeautifullyformed，theslagremovaliseasy，thesplashissmall，thearcisstable。Theflatweldingandtheverticalweldingcanberealized。Depositedmetalhasexcellentmechanicalproperties。
　　Keywords：allpositionwelding
　　0前言
　　蒸汽发生器〔12〕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SA508Gr。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〔34〕。为确保蒸汽发生器的顺利制造，急需开展SA508Gr。3Cl。2钢配套焊接材料的研制，来满足蒸汽发生器的制造。
　　SA508Gr。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SA508Gr。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45V形对接，坡口根部间距为12mm，试板尺寸400mm300mm20mm。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60824h下进行。
　　1。2化学分析
　　熔敷金属化学成分分析按照GBT2231988《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GBT26522008《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GBT43382006《金属材料高温拉伸试验方法》标准进行，试样直径10。0mm。室温V形缺口冲击试验按照GBT26502008《焊接接头冲击试验方法》标准进行，试样尺寸为55mm10mm10mm。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。
　　1。4弯曲和落锤试验
　　弯曲试验按照GBT26532008《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200mm20mm10mm。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3mm。
　　落锤试验按照NBT200042014《核电厂核岛机械设备材料理化检验方法》標准执行。试样采用P3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GBT39652012《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5mL100g（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CaCO3CaF2TiO2SiO2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，CaCO3CaF2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。
　　2。2Mn，Si元素对熔敷金属力学性能的影响
　　2。2。1Mn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。2Si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80J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。
　　2。4熔敷金属扩散氢及金相组织
　　严格控制原材料的氢的来源，并且通过调整配方比例来降氢，研制的J607HR焊条熔敷金属扩散氢含量3。0mL100g（水银法），满足技术条件小于5。0mL100g（水银法）的要求。
　　图6为熔覆金属微观组织形貌，其组织为先共析铁素体针状铁素体贝氏体，呈柱状晶特征。
　　3应用情况
　　2017年，哈尔滨威尔焊接有限责任公司开始为上海某企业提供蒸汽发生器用SA508Gr。3Cl。2钢配套焊条J607HR，产品通过了该企业的焊接工艺评定。
　　4结论
　　（1）J607HR焊条熔敷金属的抗拉强度和冲击吸收能量都远大于技术条件要求，侧弯试验未发现裂纹，10落锤试验未断裂，扩散氢含量很低，微观组织以针状铁素体为主，还有少量先共析铁素体和贝氏体。
　　（2）J607HR焊條工艺性能优良，能够实现平焊和立焊位置焊接；通过调整熔敷金属中的Mn，Si元素含量，并合理控制合金元素含量，获得了优良的力学性能。
　　参考文献
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　　〔4〕王弘昶，张文杨，左波。焊后热处理时间对SA508Gr。3Cl。2钢焊缝力学性能影响的研究〔J〕。热加工工艺，2016，45（15）：2831。