張俊寶，叢大志，谷 雨，余 燕

（上海核工程研究設(shè)計(jì)院有限公司，上海200233）

0 前言

鋼制安全殼是先進(jìn)壓水堆AP1000和CAP1400重要的核級(jí)設(shè)備之一，是防止放射性物質(zhì)擴(kuò)散的第三道安全屏障，反應(yīng)堆壓力容器和蒸汽發(fā)生器等核心部件及相關(guān)結(jié)構(gòu)模塊均安裝于鋼制安全殼內(nèi)[1-2]。SA-738 Gr.B低合金鋼具有良好的力學(xué)性能，主要用于鋼制安全殼拼焊，符合先進(jìn)壓水堆AP1000和CAP1400安全殼用鋼的要求[3-4]。

SA-738 Gr.B低合金鋼綜合運(yùn)用爐外精煉、控軋技術(shù)、細(xì)晶強(qiáng)化等措施，獲得了以下貝氏組織為主的貝氏體鋼。研究表明，隨著冷卻速度的降低，SA-738 Gr.B低合金鋼將先后發(fā)生貝氏體、貝氏體/先共析鐵素體、貝氏體/先共析鐵素體/珠光體的組織轉(zhuǎn)變，硬度相應(yīng)降低。另外，隨著焊接線能量的增加，SA-738 Gr.B低合金鋼焊接接頭沖擊韌性呈下降趨勢(shì)。SA-738 Gr.B低合金鋼焊接接頭適合預(yù)熱，采用小焊接線能量，以保證接頭良好的韌性。SA-738 Gr.B低合金鋼焊接接頭力學(xué)性能的影響因素較為復(fù)雜，目前工程上采用的焊接方法有SMAW（手工電弧焊）和GMAW（熔化極氣體保護(hù)焊），本研究主要開展鋼制安全殼SA-738 Gr.B低合金鋼SMAW和GMAW焊接接頭力學(xué)性能、組織結(jié)構(gòu)分布特征分析研究，為先進(jìn)壓水堆AP1000和CAP1400安全殼焊接工藝設(shè)計(jì)提供技術(shù)支持，并為解決工程問題提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)方法和材料

采用無拘束狀態(tài)焊接的試驗(yàn)方案，焊接材料、母材、坡口加工及焊接工藝等均與CAP1400核電站鋼制安全殼的技術(shù)要求保持一致。其中，母材為55mm厚的SA 738 Gr.B鋼板，SMAW采用E9018-G焊條，GMAW采用ER90S-G焊絲。母材化學(xué)成分、交貨態(tài)室溫拉伸和沖擊性能如表1和表2所示，焊條和焊絲的化學(xué)成分如表3和表4所示。

表1 SA 738 Gr.B化學(xué)成分Table 1 Chemical composition of SA 738 Gr.B %

表2 SA 738 Gr.B力學(xué)性能Table 2 Mechanical properties of SA 738 Gr.B

表3 E9018焊條化學(xué)成分Table 3 Chemical composition of E9018 %

表4 ER90S-G化學(xué)成分Table 4 Chemical composition of ER90S-G %

采用SMAW和GMAW各焊接1塊試板，焊條E9018-G直徑分別為φ4.0和φ1.2，焊接參數(shù)見表5。預(yù)熱溫度最低為93℃，焊接位置為3G，焊后的試板切割為兩部分，一部分為焊態(tài)，另一部分在595～620℃區(qū)間進(jìn)行焊后熱處理，保溫時(shí)間10 h。

2 焊態(tài)及焊后熱拉處理態(tài)試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 焊接接頭力學(xué)性能

按ASME第Ⅸ卷要求[5]，SMAW及GMAW焊接接頭拉伸試驗(yàn)各取2組全厚度試樣，試驗(yàn)溫度為室溫；每種焊接方法熱影響區(qū)和焊縫金屬的沖擊試樣各1組（3個(gè)試樣），取樣位置在1/4T（T為焊接接頭厚度），沖擊試驗(yàn)溫度為-29℃。焊接接頭焊態(tài)和焊后熱處理態(tài)的拉伸性能、熱影響區(qū)和焊縫金屬的沖擊性能對(duì)比如表6、表7所示。

表5 焊接參數(shù)Table 5 W elding parameters

表6 SMAW焊接接頭焊態(tài)和焊后熱處理態(tài)的力學(xué)性能對(duì)比Table6 Comparison of mechanical properties between welded and post weld heat treated SMAW welded joints

表7 GMAW接接頭焊態(tài)和焊后熱處理態(tài)的力學(xué)性能對(duì)比Table 7 Comparison of mechanical properties between welded joint and post weld heat treatment state of GMAW joint

由表6和表7可知，焊后熱處理降低了焊接接頭拉伸性能，未能改善熱影響區(qū)的沖擊性能，導(dǎo)致熱影響區(qū)和焊縫沖擊性能降低。

2.1 組織分析

SMAW焊接接頭焊態(tài)和焊后熱處理態(tài)焊縫金屬金相、SEM與TEM電子顯微組織分別如圖1～圖3所示?？梢钥闯?，焊縫金屬組織主要為針狀鐵素體+下貝氏體及少量馬氏體的混合組織，部分組織為等軸狀鐵素體。TEM分析表明鐵素體晶界處有尺寸約300 nm的鋁硅錳氧復(fù)合物，選取3個(gè)位置化學(xué)成分如表8所示。同時(shí)，有較多數(shù)量的碳化物析出。焊后熱處理態(tài)與焊態(tài)相比，焊縫金屬晶粒長大，碳化物數(shù)量明顯增多，導(dǎo)致焊后熱處理態(tài)的沖擊性能 下降。

圖1 SMAW焊縫金屬金相組織Fig.1 Microstructure of SMAW weld

圖2 SMAW焊縫金屬SEM電子顯微組織Fig.2 SEM Microstructure of SMAW weld

圖3 SMAW焊縫金屬TEM電子顯微組織Fig.3 TEM Microstructure of SMAW weld

GMAW焊縫金屬金相組織如圖4所示。由圖4可知，焊縫金屬的組織不均勻，主要為針狀鐵素體+下貝氏體+少量馬氏體的混合組織，同時(shí)部分組織為等軸狀的鐵素體。

GMAW焊縫金屬SEM與TEM電子顯微組織分別如圖5、圖6所示。SEM與金相組織分析結(jié)果一致。TEM分析表明，鐵素體內(nèi)部存在高密度的位錯(cuò)亞結(jié)構(gòu)，碳化物分布在鐵素體晶界和晶粒內(nèi)部。焊后熱處理態(tài)與焊態(tài)相比，焊縫金屬晶粒長大，碳化物數(shù)量明顯增多，導(dǎo)致焊后熱處理態(tài)的沖擊性能下降。

表8 焊縫金屬雜質(zhì)化學(xué)成分EDS分析結(jié)果Table 8 EDS Chemical analysis for weld inclusion %

圖4 GMAW焊縫金屬金相組織Fig.4 Microstructure of GMAW weld

圖5 GMAW焊縫金屬SEM電子顯微組織Fig.5 SEM Microstructure of GMAW weld

圖6 GMAW焊縫金屬TEM電子顯微組織Fig.6 TEM Microstructure of GMAW weld

此外，對(duì)兩種焊接方法的焊態(tài)及焊后熱處理態(tài)的熱影響區(qū)組織進(jìn)行分析。SMAW焊接接頭焊態(tài)和焊后熱處理態(tài)熱影響區(qū)金相組織差別不大。焊接接頭SMAW焊縫金屬/熱影響區(qū)交界處金相組織如圖7所示?？梢钥闯?，緊靠焊縫金屬處的熱影響區(qū)為粗晶組織（CGHAZ），主要是回火貝氏體組織以及局部回火馬氏體組織。

SMAW焊后熱處理態(tài)熱影響區(qū)沖擊性能與GMAW相比數(shù)值較低，因此對(duì)SMAW熱影響區(qū)進(jìn)行SEM分析。焊接接頭SMAW熱影響區(qū)SEM電子顯微組織如圖8所示，與金相分析結(jié)果一致。此外，熱處理態(tài)焊接接頭熱影響區(qū)中碳化物數(shù)量明顯多于焊態(tài)，因此焊后熱處理態(tài)的沖擊性能下降較多。

圖7 SMAW焊縫金屬/熱影響區(qū)交界處及熱影響區(qū)金相組織Fig.7 Microstructure of SMAW HAZ and boundary between weld and HAZ

圖8 SMAW熱影響區(qū)SEM電子顯微組織Fig.8 SEM Microstructure of SMAW HAZ

GMAW焊接接頭焊態(tài)和焊后熱處理態(tài)熱影響區(qū)金相組織差別不大，如圖9所示?？梢钥闯觯o靠焊縫金屬處的熱影響區(qū)為晶粒尺寸較大的粗晶組織（CGHAZ），主要是貝氏體組織以及局部馬氏體組織；從焊縫金屬向母材方向推移，熱影響區(qū)為細(xì)晶粒狀貝氏體組織以及部分馬氏體組織（FGHAZ）；從焊縫金屬進(jìn)一步向母材方向推移，熱影響區(qū)為細(xì)晶鐵素體與粒狀貝氏體混合組織（ICHAZ），該區(qū)域組織與FGHAZ不易區(qū)別。

2.3 討論

由試驗(yàn)結(jié)果可以看出，焊后熱處理對(duì)SMAW和GMAW兩種焊接接頭拉伸性能影響不大，焊后熱處理未能改善熱影響區(qū)的沖擊性能。焊后熱處理導(dǎo)致焊縫沖擊性能降低。SMAW、GMAW焊態(tài)、焊后熱處理態(tài)熱影響區(qū)組織主要是貝氏體組織、局部馬氏體組織。焊態(tài)和焊后熱處理態(tài)焊接接頭的力學(xué)性能均滿足要求。按ASME第Ⅸ卷要求，焊接的熱輸入是焊接工藝評(píng)定的附加重要變素，影響沖擊性能，SMAW的最大熱輸入為38.4 kJ/cm，GMAW的最大熱輸入為12 kJ/cm，SMAW的熱輸入較大，使熱影響區(qū)中碳化物數(shù)量明顯增多，導(dǎo)致焊縫和熱影響區(qū)的沖擊性能下降幅度較大。因此，在工程中應(yīng)盡量采用較小的焊接熱輸入。

圖9 GMAW焊縫金屬/熱影響區(qū)交界處金相組織Fig.9 Microstructure of boundary between GMAW weld and HAZ

隨著焊后熱處理的進(jìn)行，焊縫經(jīng)歷了回復(fù)、再結(jié)晶等變化過程，同時(shí)晶粒中夾雜物元素向晶界聚集，降低晶界結(jié)合能，造成沖擊韌性降低。

3 結(jié)論

（1）焊接熱輸入對(duì)焊接接頭的沖擊性能影響很大，熱輸入較高給接頭的沖擊性能帶來不利影響。

（2）隨著焊后熱處理的進(jìn)行，焊縫經(jīng)歷了回復(fù)、再結(jié)晶等變化過程，同時(shí)焊縫和SMAW熱影響區(qū)晶粒中夾雜物元素向晶界聚集，降低晶界結(jié)合能，導(dǎo)致焊縫和熱影響區(qū)沖擊韌性降低。