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CaCO3/CaF2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：TG 421
Abstract：Aiming at the current situation that the welding of the steam generator SA508Gr.3Cl.2 steel depends on the imported electrodes， covered electrode J607HR for SA508Gr.3Cl.2 steel was studied.The results shown that properly by adjusting the proportion of carbonate， fluoride and ferroalloy in the coating of the electrode with 2.0-2.4 ratio of CaCO3/CaF2 and 58%-62% total amount， the proportion of the ferroalloy is high， good process performance can be obtained. The weld is beautifully formed， the slag removal is easy， the splash is small， the arc is stable. The flat welding and the vertical welding can be realized. Deposited metal has excellent mechanical properties.
Key words：steam generator;covered electrode;allposition welding
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[3-4]。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。
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10.0 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。
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》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，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。
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。
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3.0 mL/100 g（水银法），满足技术条件小于5.0 mL/100 g（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
[1] 刘文斌，李书瑞.我国核电承压设备用钢的发展现状与研究方向[J].钢铁研究， 2011，39（5）：58-62.
[2] 张敬才，王文华，高维森.A5083钢及其焊接材料与工艺研究[J].中国核科技报告， 1994（S1）：1151-1161.
[3] 马中良.三代核电蒸汽发生器用SA508 Gr.3 Cl.2锻件的热处理工艺[J].金属热处理，2018，43（5）：180-183.
[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）：28-31.