国产不锈钢焊带埋弧堆焊工艺性能研究

国产不锈钢焊带埋弧堆焊工艺性能研究

李潇

中国第一重型机械股份公司

摘要：对SA-508 Gr.3 Cl.1 钢上进行的0.5mm×30mm 国产不锈钢带极埋弧堆焊工艺试验研究，分析影响堆焊层成型的因素，最终确定了最佳参数，实现了国产焊带EQ309L（首层）+EQ308L（两层）带极埋弧堆焊，堆焊层成型美观，表面光滑，堆焊层厚度约4mm。同时，对堆焊层熔敷金属进行化学成分、力学性能和耐蚀性能等检测，验证了该焊带的使用能保证堆焊层力学性能和耐蚀性要求，可用于产品堆焊。

关键词： 国产不锈钢焊带； 埋弧堆焊； 反应堆压力容器；

0 前言

核反应堆压力容器工作在高压、高温、含硼酸水介质和放射性辐照的环境下，为减少腐蚀产物放射源项，整个内表面需堆焊奥氏体不锈钢耐蚀层[1]。带极埋弧堆焊具有热熔敷率高，焊道宽且成形美观等优点，在核反应堆压力容器内壁大面积堆焊中广泛应用。

目前，我国核反应堆压力容器内壁大面积带极堆焊用不锈钢焊带大多数靠从日本、原西德、瑞典、荷兰和美国等国进口[2]，因此加强对国产焊带的研究和应用势在必行。本文选用某公司生产的0.5mm×30mm不锈钢焊带进行堆焊工艺试验，制定合理的堆焊工艺参数，验证该焊带的使用能否保证堆焊层力学性能和耐蚀性要求。

1 试验材料及方法

1.1试验材料 图1为不锈钢焊带埋弧堆焊工艺试验，堆焊母材采用SA-508 Gr.3 Cl.1钢锻件，尺寸为80mm×300mm×600mm，焊材采用规格0.5mm×30mm，EQ309L和EQ308L的焊带及与之相配的焊剂。焊带主要化学成分见表1。

  图1不锈钢焊带埋弧堆焊工艺试验

表1 焊带化学成分

1.2试验方法

首层堆焊采用EQ309L焊带搭配与之匹配的焊剂，其余层堆焊采用EQ308L焊带搭配与之匹配的焊剂。焊接位置均为平焊位。前两层堆焊采用煤气预热，预热温度达到121℃时开始进行焊接，层间温度控制在121℃~250℃。前两层堆焊完成进行后热，后热规范为232~400℃×2h。第三层堆焊不需预热，层间温度尽可能接近250℃。最后，进行最终热处理，热处理规范为595~620℃×40+1h，升降温速率≤35℃/h。

2 试验结果与分析

2.1堆焊层成型的影响因素分析

在不锈钢焊带埋弧堆焊工艺试验中，焊接工艺参数首先采用厂内堆焊常用参数，焊接电流500~550A，焊接电压28~30V，焊接速度190~200mm/min，导电嘴与工件距离30~35mm，焊接搭接量5~15mm。结果发现，EQ309L堆焊后焊道宽度36~37mm，如图2所示，堆焊层厚度4.5~4.8mm，焊道边缘润湿角小，呈直角型，不利于后续焊道搭接，焊渣不破碎、不自动脱落，需要敲击采能脱落。EQ308L堆焊后道焊道宽度34~35mm，堆焊层厚度3~3.5mm，焊道边缘润湿角增大，但边缘不整齐，焊渣自动翘起，手动掰开即可脱落。

图2 EQ309L堆焊后焊道宽度

由以上试验结果分析可知，焊接电流、电压和焊接速度对堆焊层的厚度和成型影响较大。焊接速度和电压一定时，增大焊接电流，堆焊层厚度明显增大，熔深也相应增加。焊接电流减小时，熔深较小，在焊道搭接处容易产生夹渣和未熔合；当焊接速度和电流一定时，增大电压，焊道宽度增加。电压较低时，焊道成行差，形成中间凸起，两侧下塌的凸缝形焊道。为了控制厚度，提高效率，可以通过焊接速度来调节，但焊接速度过大时，焊接稳定性变差，成行不好。

焊带干伸长对堆焊层厚度也有影响。若焊带伸出长过长，会出现焊带后拖的现象，影响堆焊的稳定性，且易产生缺陷。若焊带伸出长过短，不仅影响焊道成形，还容易烧损导电嘴。

焊剂堆高决定了焊剂对熔池的保护效果，焊剂层太薄，保护变差，飞溅增大，影响堆焊过程的稳定，甚至出现焊接中断；焊剂层太厚，熔池透气性变差，出现凸缝形焊道、斑点及气孔，形成不平滑的焊道形状。

综合以上各种因素的影响，最终确定了能够获得良好成型的焊接工艺参数，见表2，堆焊过程中焊接搭接量控制在10mm~12mm，焊带干伸长为30~35mm，成功将堆焊层厚度控制在4mm左右，堆焊层表面成型见图3。

表2 焊接参数

图3 不锈钢焊带埋弧堆焊表面成型

2.2堆焊层性能分析

2.2.1熔敷金属化学分析和铁素体含量测定 依据标准ASTM A751对C、N、Mo、Cu、Nb、Cr和Ni元素进行化学分析，再结合ASME NB-2433.1-1确定熔敷金属铁素体含量。取样方法为从距熔合线4.5mm和距最终表面0.5mm处取样。每层化学分析和铁素体含量结果见表3。

表3 熔敷金属化学（wt%）和铁素体含量（FN）

从表4中可以看出，距熔合线4.5mm时C元素含量达到要求值的上限，这是因为母材为低碳钢，埋弧焊堆时稀释率较大，焊缝与母材界面C元素发生较大的扩散所致。而Cr元素有减少，Ni元素和Cu元素变化不大，是因为Cr元素容易被氧化，焊接过程中会有烧损，Ni元素和Cu元素不太活泼，合金元素烧损较少。

对于带极埋弧堆焊影响δ铁素体FN的因素有焊接电流、层间温度和焊接速度等。焊接电流越大，对于易氧化的焊带合金元素烧损越严重，Cr元素含量将会降低；层间温度过高，将加剧δ铁素体向σ脆性相的转变倾向，则都会导致不锈钢堆焊层δ铁素体FN 的降低[3]。

2.2.2金相组织和晶间腐蚀检验及力学性能分析

依据标准ASTM E3-11进行金相组织检测。检测结果显示母材金相组织均为贝氏体+索氏体，热影响区组织均为铁素体+索氏体，堆焊层组织均为奥氏体+铁素体，如图4所示。同时，再分别依据标准ASTM A262-2002 E法和AWS B4.0M-2000进行晶间腐蚀检验和力学性能试验。晶间腐蚀试验结果显示，两块试样在27℃下经180°弯曲后，10倍放大观察试样均无晶间腐蚀裂纹。力学性能试验结果见表4和表5，试验结果均合格。

母材（×200）             热影响区（×200）            堆焊层（×200）

图4 金相组织

表4 夏比冲击试验

表5 弯曲试验

3结论

（1）针对0.5mm×30mm国产不锈钢带极埋弧堆焊工艺试验，根据各种对堆焊层成型影响因素分析，最终确定了最佳工艺参数，获得成形较好，堆焊层厚度控制在约4mm。

（2）对堆焊层质量和性能进行检测分析，该批国产不锈钢焊带带极埋弧堆焊工艺性试验较好，堆焊质量稳定，为后续代替以往所使用的进口不锈钢焊带在实际生产中应用提供理论支持。

参考文献：

[1]王中堂. 民用核安全设备焊工焊接操作工基本理论知识考试培训教材[M]. 中国法制出版社, 2009.

[2]张勇, 王家辉. 带极堆焊用不锈钢焊带国产化问题分析[J]. 石油工程建设, 1991, 17(3):3.

[3]左波, 余燕, 张茂龙. 核电设备不锈钢堆焊层的铁素体含量[J]. 焊接技术, 2012, 41(8):3.

[4]陈志林, 刘应虎. 90mm宽带极堆焊奥氏体不锈钢的化学成分及铁素体FN分析[J]. 压力容器, 2011, 28(11):6.