核电用钢超窄间隙激光填丝焊缺陷行为及接头组织与性能研究

发布时间：2020-08-22 20:06

【摘要】：核电蒸汽发生器使用SA508Gr.3Cl.2大厚度锻件作为壳体材料,开发高效和高质量的厚板焊接技术是保证核电蒸汽发生器运行安全性的关键因素之一。本文主要对SA508Gr.3Cl.2核电用钢进行了超窄间隙激光填丝焊的试验研究。首先研究了焊接工艺措施对激光填丝焊缝的气孔缺陷和焊缝成形的影响规律。然后进行了焊接裂纹倾向的研究,分析了裂纹的类型和形成机理。最后研究了50 mm厚焊接接头焊后热处理态的微观组织和力学性能特征。在气孔倾向试验中主要研究了焊接工艺措施对气孔率的影响规律。结果表明焊道数对气孔率的影响最为显著,当焊道数从6.72减小到5.07时,气孔率增加了8倍左右,在本试验中取送丝速度为2.0m/min,激光功率为4.3 kW时可有效抑制气孔缺陷。气孔率随预热温度的增加、坡口角度的增加而减小,取预热温度为200℃,双边坡口角度为8°较为合适。核电用钢超窄间隙激光填丝多层焊中出现的气孔为激光匙孔不稳定时所形成的工艺型气孔。接着研究了焊接工艺措施对焊缝成形的影响规律。当焊道数减小或坡口角度减小时,焊缝堆高增大,焊缝熔深减小,侧壁熔深基本保持不变。当预热温度增加时,焊缝熔深和侧壁熔深都有所增加,可有效抑制未熔合缺陷的形成。然后在裂纹倾向试验中研究了焊接工艺参数对裂纹率的影响规律。裂纹率随激光功率的增加,焊接速度的减小而变大,随送丝速度的增加而变小。裂纹均处于焊缝表面,并且沿焊缝的中心线纵向开裂。在裂纹断口起裂区出现了树枝晶形貌等明显的热裂纹特征,在裂纹末端出现了一小部分由热裂纹诱发的冷裂纹。为了有效抑制结晶裂纹,选择激光功率为3.9~4.2 kW左右,焊接速度为0.42~0.48 m/min左右,送丝速度为3.0~3.5 m/min左右。最后进行了50 mm厚SA508Gr.3Cl.2核电用钢的超窄间隙激光填丝多层焊。中部填丝焊部位的焊缝中心组织主要为上贝氏体和竹叶状下贝氏体,填丝焊焊缝母材侧的HAZ粗晶区组织为粗大的高温回火马氏体。中部填丝焊焊缝母材侧的HAZ粗晶区为接头中部焊道硬度最高的位置,硬度达280 HV。焊接接头常温拉伸试验以及360℃高温拉伸试验中,拉伸试样的拉伸断裂位置均位于焊缝以外,焊接接头抗拉性能良好。焊接接头的1/4T、1/2T、3/4T厚度方向三个位置的焊缝区冲击功最小62 J,最大106 J,均低于母材,但焊缝处的冲击试样断口仍具有一定的韧性断裂特征。
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM623
【图文】：

微观组织,母材,光镜,扫描电镜

材的强度和淬透性，还可以降低回火脆性并提高钢的高温性能[22]。由于材料技术的不断发展，后面在这两个钢种的基础上，加入 Ni 元素得到 A305-82 钢，加入 Ni 元素和 Mo 元素得到 A336 钢。A336 钢在后来也被称为 A508-2 钢，Ni 元素的加入，能提高厚壁截面的淬透性，保证强度与韧性的良好配合。而 Mo 元素则主要用于降低回火脆性和提高钢的耐热性能。在二十世纪 70 年代，在进行A508-2 钢的堆焊过程中，发现了层下再热裂纹。为了减小堆焊时的裂纹敏感性，降低裂纹倾向，在 A508-2 钢中降低硬化元素 C、Cr 和 Mo 的含量，发展得到了A508-3 钢，也就是本文所研究的核电大型锻件 Mn-Mo-Ni 钢[23]。在A508-3钢中，由于 C、Cr 和 Mo 等元素含量的降低，导致强度和淬透性都有所降低，因此为了增加该钢种的淬透性，将钢中的 Mn 元素含量提高。另外，由于 Mn 元素含量的提高，会造成偏析现象，所以与此同时严格限制 P、S 元素的含量，防止此种现象的发生。当前世界上与 A508-3 钢成分相似的钢种还有俄罗斯 15Kh2NMFA-锻件，德国 20MnMoNi55 锻件等[24]。SA508 核电用钢的母材（BM）在光学显微镜和扫描电子显微镜下观察的微观组织如图 1-1 所示[25]。可以看出来主要由回火上贝氏体组织构成。

曲线图,冷却速度,核电,贝氏体

508-3 美国 ASME 551/724 ≥345 ≥18 ≥38 - ≥285 6MND 法国 RCCM 550/670 ≥400 ≥20 - ≥497 ≥300 nMoNi55 德国 TuV ≥559 ≥392 ≥19 ≥45 ≥490 ≥314 FVV3 日本 JIS ≥549 ≥345 ≥18 ≥38 - - 508-3 中国 GB-T15 552/670 ≥400 ≥20 ≥45 ≥552 ≥300 h2NMFA 俄罗斯 OCT ≥620 ≥500 ≥15 ≥55 ≥550 ≥450 各核电压力容器用钢的性能比较如表 1-1 所示。另外，SA508Gr.3 核电冷却转变曲线图（CCT 图）如图 1-2 所示[26]。当冷却速度不超过 0.5 ℃/s 共析出铁素体，然后当温度降到 600 ℃以下时，还会生成贝氏体组织。速度在 1 ℃/s 到 5 ℃/s 之间的区间内时，奥氏体组织将只生成贝氏体组贝氏体的温度区间为 400 ℃到 600 ℃，当冷却速度超过 50 ℃/s 时，将氏体组织的形成，只会生成马氏体组织。SA508Gr.3 核电用钢的马氏体温度 Ms是 415 ℃，马氏体转变结束温度 Mf是 235 ℃。当冷却速度变小下降，Mf上升。

宏观形貌,电子束焊,宏观形貌,焊接接头

这些焊接方法的热输入较大，焊缝以及热影响区较宽，焊接变形和残余应大[27]。Veron 等人[14]使用埋弧焊多层焊的方法焊接了 140 mm 厚的 SA533 钢508 钢的板材，其焊接坡口宽度接近于 50 mm，且热输入量达 1.8 kJ/mm。能够减少焊接道次数，窄间隙埋弧焊和 U 形焊接坡口形式应用了起来。ZhDorn等人[15]使用窄间隙埋弧焊的方法焊接了厚度达179 mm的A508CL3-08CL3-B’核电压力容器钢板，其焊接坡口宽度只有 28 mm。与埋弧焊和窄间隙埋弧焊相比，电子束焊接的优势在于焊接速度快，热输小，残余应力和残余变形较小，且填充材料消耗较少等。Hurrell 等人[28]使子束单道焊接的方法焊接了一块 160 mm 厚的 SA508Gr.3Cl.1 钢板结构，焊热影响区的总宽度约为 16-18 mm，其焊缝横截面的宏观形貌如图 1-3 所示续进行的焊后热处理规程为在 607 ℃下保温 3.5 小时，其焊后热处理态的硬布如图 1-4 所示，在焊缝不同厚度处，硬度分布明显保持一致。焊缝和热影的硬度在 260 HV 左右，母材在热处理之后硬度掉至 200 HV 以下。但是，束厚板焊接的设备要求较高，试验成本昂贵，且因为对真空条件的要求，电单道焊接的方法不宜用于厚板焊接工程，所以难以得到广泛的应用。

【参考文献】