落錘試樣裂紋源焊道焊接工藝試驗(yàn)研究

任國(guó)松，包士梅，王新娟

哈電集團(tuán)（秦皇島）重型裝備有限公司 河北秦皇島 066206

1 序言

落錘試驗(yàn)方法最初是美國(guó)海軍研究所（NRL）W. S. Pellini和P. P. Puzak等人首創(chuàng)的，用來研究具有溫度轉(zhuǎn)變行為的鐵素體結(jié)構(gòu)鋼抗脆性斷裂性能的一種工程試驗(yàn)方法。通過該試驗(yàn)可以獲得材料在含有微小尖銳裂紋和動(dòng)態(tài)屈服加載條件下發(fā)生脆性斷裂的最高溫度，而這一溫度稱為無塑性轉(zhuǎn)變溫度（Nil-ductility transition temperature，NDTT）[1-2]，是工程上廣泛應(yīng)用的一種動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)變溫度指標(biāo)。

核電站主回路各部件都要求有較高的抗脆性性能，以保證受核輻射時(shí)不產(chǎn)生脆斷，提高安全性，隨著國(guó)產(chǎn)核電材料的開發(fā)，NDTT的準(zhǔn)確測(cè)定就顯得更為重要。目前，我國(guó)在按照RCC-M參數(shù)和ASME參數(shù)設(shè)計(jì)核電站主回路設(shè)備時(shí)，均要求按ASTM E208標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行落錘試驗(yàn)，以測(cè)定無塑性轉(zhuǎn)變溫度NDTT。

NDTT是進(jìn)行彈塑性力學(xué)評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)參數(shù)，對(duì)核電主回路壓力邊界部件的評(píng)價(jià)起重要作用。因此，本文研究了ASTM E208標(biāo)準(zhǔn)中落錘試樣堆焊焊道的焊接工藝，并在此基礎(chǔ)上比較不同焊接工藝對(duì)落錘試驗(yàn)結(jié)果的影響。

2 試驗(yàn)材料及方法

2.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用材料為某核電項(xiàng)目壓力邊界用材料，材料牌號(hào)：SA-508 Gr.3Cl.1，交貨狀態(tài)為調(diào)質(zhì)態(tài)，主要化學(xué)成分見表1。

表1 化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） (%)

2.2 試樣制備

落錘試樣焊接工藝見表2，其中參數(shù)1是ASTM E208標(biāo)準(zhǔn)第7.7條中明確規(guī)定可采用的裂紋源焊道焊接工藝，是目前國(guó)內(nèi)大多廠家普遍采用的工藝；參數(shù)2為擬進(jìn)行評(píng)定的一種低電流裂紋源焊道焊接工藝。A、C組落錘試樣按參數(shù)1焊接，B、D組落錘試樣按參數(shù)2焊接。

表2 落錘試樣焊接工藝

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 拉伸試驗(yàn)

為確定落錘沖擊能量，進(jìn)行了室溫拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表3，按照ASTM E208表1確定了落錘沖擊能量為400J。

表3 拉伸試驗(yàn)結(jié)果

3.2 A組落錘試驗(yàn)

用A組落錘試樣測(cè)定了材料的NDTT，結(jié)果見表4，A組試樣實(shí)測(cè)材料的NDTT溫度為-12℃。

表4 落錘試驗(yàn)結(jié)果

3.3 焊接參數(shù)2評(píng)定試驗(yàn)結(jié)果

按照ASTM E208第7.10.3節(jié)要求：“可以采用不同于7.7節(jié)的焊接工藝，該工藝需經(jīng)過評(píng)定，即在材料實(shí)際的NDTT溫度以上至少55℃進(jìn)行3個(gè)試樣的落錘試驗(yàn)，如裂紋源焊道開裂，則該工藝可以用于落錘試驗(yàn)用試樣焊接。”

根據(jù)此規(guī)定選取B組3個(gè)落錘試樣在-12℃+55℃=43℃的溫度下進(jìn)行落錘試驗(yàn)，經(jīng)觀測(cè)3個(gè)試樣的裂紋源全部開裂，結(jié)果見表4，試驗(yàn)后的試樣如圖1所示，裂紋源焊道局部放大照片如圖2所示。即經(jīng)過評(píng)定，參數(shù)2的低焊接電流工藝是可以用于落錘試驗(yàn)裂紋源焊道對(duì)焊的。

圖1 B組評(píng)定焊接參數(shù)2落錘試樣

3.4 B組落錘試驗(yàn)

用B組落錘試樣測(cè)定材料的NDTT溫度，結(jié)果見表5，采用B組落錘試樣測(cè)得材料的NDTT溫度為-17℃。

表5 B組落錘試驗(yàn)

圖2 裂紋源焊道局部放大照片

3.5 C組和D組落錘試驗(yàn)

考慮到落錘試樣的因素，測(cè)定了兩種不同參數(shù)的焊接工藝對(duì)P-3落錘試樣測(cè)量結(jié)果的影響。

用C組和D組落錘試樣測(cè)定材料的NDTT溫度，結(jié)果見表6，采用C組落錘試樣測(cè)得材料的NDTT溫度為-17℃，采用D組落錘試樣測(cè)得材料的NDTT溫度為-22℃。

表6 C和D組落錘試驗(yàn)

4 試驗(yàn)結(jié)果的分析及討論

通過對(duì)焊接參數(shù)2進(jìn)行試驗(yàn)評(píng)定，可以看出它是滿足ASTM E208第7.10.3節(jié)關(guān)于評(píng)定落錘試樣裂紋源焊道焊接工藝的要求。對(duì)不同焊接工藝和不同試樣形式的落錘試驗(yàn)結(jié)果詳見表7。

表7 不同參數(shù)落錘試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)

選取使用參數(shù)1電流堆焊的D24試樣（見圖3）和參數(shù)2電流堆焊的D26試樣（見圖4）進(jìn)行金相組織觀察和晶粒度評(píng)定。從顯微組織觀察，發(fā)現(xiàn)兩個(gè)試樣的焊道顯微組織及晶粒度基本都一樣，只是熱影響區(qū)的組織和晶粒度稍有差異。鋼的韌性由裂紋源焊道焊接過程中產(chǎn)生的熱影響區(qū)的微觀組織決定。圖3和圖4試樣熱影響區(qū)的組織都為回火索氏體+貝氏體，圖4試樣熱影響區(qū)中的貝氏體多于圖3試樣熱影響區(qū)，圖4試樣熱影響區(qū)的晶粒度也比圖3試樣熱影響區(qū)的晶粒尺寸小一些。回火索氏體有很強(qiáng)的低溫脆性，回火索氏體含量越多，材料越脆越易斷裂。而在脆性斷裂中，材料的晶粒度越大，其脆性轉(zhuǎn)變溫度越高。這些都是圖3試樣測(cè)出的斷裂溫度比圖4試樣測(cè)出的斷裂溫度高5℃的主要原因。

圖3 用參數(shù)1電流堆焊試樣各區(qū)顯微組織

圖4 用參數(shù)2電流堆焊試樣各區(qū)顯微組織

5 結(jié)束語

1）經(jīng)過試驗(yàn)，焊接電流為160～170A的焊接工藝符合ASTM E208第7.10.3節(jié)關(guān)于評(píng)定裂紋源焊道焊接工藝的要求，可用于落錘試樣制備。

2）兩種工藝焊接電流相差約20A，對(duì)于SA-508 Gr.3Cl.1材料，相對(duì)于ASTM E208標(biāo)準(zhǔn)推薦的焊接工藝，采用小電流焊接工藝制備的落錘試樣所測(cè)定的材料NDTT溫度低5℃。

3）其他核電材料NDTT溫度測(cè)定如采用不同于ASTM E208第7.7節(jié)的焊接工藝焊接落錘試樣，必須經(jīng)過試驗(yàn)評(píng)定。