多次返修次数对SA-533GrBCL1钢焊接接头组织和性能的影响

多次返修次数对SA-533GrBCL1钢焊接接头组织和性能的影响 Influence of Multiple Welding Repairs on the Properties of SA-533BCL1 Steel Welded Joints first-author 明　阳（1984—），男，学士，高级工程师，主要从事电站锅炉、重型容器、核电装备焊接技术与管理工作。E-mail：ddkmy@163.com。 明　阳（1984—），男，学士，高级工程师，主要从事电站锅炉、重型容器、核电装备焊接技术与管理工作。E-mail：ddkmy@163.com。 ddkmy@163.com 东方电气集团 东方锅炉股份有限公司，四川 自贡 643001 东方电气集团 东方锅炉股份有限公司，四川 自贡 643001 Dongfang Electric Corporation (DEC), Dongfang Boiler Group Co., Ltd., Zigong 643001, China Dongfang Electric Corporation (DEC), Dongfang Boiler Group Co., Ltd., Zigong 643001, China SA-533GrBCL1钢是核电站建设中使用较多的一种钢材，有一定的核级安全要求，为验证SA-533GrBCL1焊接稳定性。特开展焊条电弧焊多次返修对压力容器用钢板SA-533GrBCL1接头性能的影响研究，通过拉伸、弯曲、低温冲击和硬度试验等性能试验，分析多次返修（≤5次）的焊接接头不同位置的金相组织分布和变化规律。结果表明，SA-533GrBCL1焊接接头经过多次返修或返修焊后热处理，其接头力学性能未见异常变化，各项性能指标符合相关制造规范要求，但多次返修后热影响区较未返修接头存在软化，焊后热处理降解并平化了焊接接头各区域的硬度差异。焊缝金属和焊后热处理熔合区微观上表现为铁素体组织萌生针状、块状、片状形态转变，并伴生少量粒状贝氏体、珠光体组织形态，表现出冲击韧性值呈现分散性。 SA-533GrBCL1 steel is a kind of steel that is widely used in the construction of nuclear power plants. It has certain nuclear safety requirements to verify the welding stability of SA-533GrBCL1. Specially carry out research on the influence of electrode arc welding multiple repairs on the performance of steel plate SA-533GrBCL1 for pressure vessels. Through performance tests such as tensile, bending, low temperature impact and hardness tests, the different welding joints of multiple repairs (≤5 times) are analyzed. The metallographic structure distribution and variation law of the location. The results show that the mechanical properties of SA-533GrBCL1 welded joints have not changed abnormally after repeated repairs or post-weld heat treatment, and the performance indicators meet the requirements of relevant manufacturing specifications, but the heat-affected zone exists after repeated repairs compared with unrepaired joints. Softening, post-weld heat treatment degrades and smoothes out hardness differences in various areas of the welded joint. Microscopically, the weld metal and the fusion zone of the post-weld heat treatment show that the ferrite structure initiates acicular, block, and flake morphology transformation, and is accompanied by a small amount of granular bainite and pearlite structure, showing that the impact toughness value is dispersive. SA-533GrBCL1 返修次数 力学性能 金相组织 SA-533BCL1 multiple repairs mechanical properties metallographic structure 前言 1 在承压设备的焊接过程中，尽管《锅炉和压力容器安全技术监察规程》以及相关制造技术规范都有“焊缝同一部位的返修次数不宜超过两次，超过两次，返修前应经制造单位技术负责人批准”的管理规定 ［ 1 1 - 2 2 1-2 ］ ，但限于工况条件，实际生产时多次返修现象依然普遍存在。通常认为，返修焊缝特别是多次返修焊缝受多次焊接热循环作用会对焊缝韧性和焊接性产生影响，其影响程度与其钢种等因素相关。赵飞 ［ 3 3 ］ 等针对多次返修对16MnDR焊接接头组织与力学性能的影响进行了研究，得到了返修4次后晶粒粗大、冲击韧性和硬度有所下降的结论。吴进银 ［ 4 4 ］ 等人以奥氏体不锈钢S30408作为研究对象，分区域进行5次返修试验，并对每个区域分别进行力学性能、金相分析、能谱分析，经过多次返修后，S30408接头热影响区的低温冲击性能明显降低。 SA-533GrBCL1是美标压力容器用钢板，它属于核电用容器钢板，在沸水堆和压力堆上均有大量应用。SA-533GrBCL1为Mn-Mo-Ni型低合金钢，其淬火组织为马氏体组织，过度返修易产生的缺陷有裂纹等缺陷的产生。本文选用SA-533GrBCL1钢，通过5次焊缝返修，研究不同返修次数下焊接接头的组织和力学性能的变化，对比分析与原焊缝的差异，评估其性能变化对相关规范的符合性，为SA-533GrBCL1钢的实际应用提供借鉴 ［ 5 5 ］ 。 试验材料与方法 1 试验材料 2 试验母材为SA-533GrBCL1，板厚30 mm，其化学成分和力学性能如 表1 表1 、 表2 表2 所示。 状态 C Si Mn Ni Mo P S 2 标准 实测值 ≤0.25 0.13~0.45 1.07~1.62 0.37~0.73 0.41~0.64 ≤0.025 ≤0.025 0.17 0.19 1.44 0.66 0.50 0.004 0.002 状态 抗拉强度 R m /MPa 屈服强度 R eL /MPa 延伸率 A /% 收缩面积/% 冲击功（-18 ℃） Akv /J 标准 620~795 ≥485 ≥16 — — 实测值 735 621 28 76 276 返修试验焊材选择四川大西洋CHE608HR1焊条，型号ASME SFA5.5 E9018-GH4，直径4.0 mm，其熔敷金属化学成分和力学性能如 表3 表3 、 表4 表4 所示。 C Mn Si S P Mo Ni 0.081 1.44 0.25 0.0033 0.0064 0.45 0.83 抗拉强度 R m /MPa 屈服强度 R eL /MPa 断后伸长率 A /% 冲击功（-22 ℃） KV2/J 668 595 25 148，107，141 试验方法 2 用10件单块300 mm（长）×150 mm（宽）×30 mm（厚）的试件组合，分别用于1~5次返修的五付试件，分别用R-1~R-5编号分别表示未返修、一次返修、三次返修、五次返修、返修五次+退火试板 ［ 2 2 ］ ，试板状态标识如 表5 表5 所示。返修模拟试件和返修焊缝焊接工艺为SMAW，单边60°V型坡口，组对间隙2~3 mm，钝边1~2 mm，背面碳弧气刨清根。焊前预热温度大于150 ℃，层间温度不超过300 ℃。模拟1~5次返修焊缝分别采用碳弧气刨清除上一次原始焊缝，并用角向磨光机砂磨露出金属光泽后进行PT检查。R-5模拟试件退火温度在595~625 ℃，保温时间15 h，返修焊接工艺参数如 表6 表6 所示，返修模拟试件和返修焊缝工艺相同。 试样 返修次数 检验状态 备注 R-1 未返修 焊态 — R-2 返修一次 焊态 — R-3 返修3次 焊态 — R-4 返修5次 焊态 — R-5 返修5次 热处理状态 （610±15） ℃×15 h 焊接方法 牌号 直径/mm 极性 电流 I /A 电弧电压 U /V 焊接速度 v /（cm·min -1 ） SMAW CHE608HR1 4.0 直流反接 150~180 22~33 15~22 试验检验 1 无损检测 2 试板R-1~R-5按NB/T47013.2进行UT和MT探伤检验，质量等级均为Ⅰ级。 力学性能和硬度检测 2 按照NB/T47014-2011《压力容器焊接工艺评定》标准要求和规定的试验方法，截取拉伸、冲击、弯曲和硬度试样，并进行相应试验。试验结果如 表7 表7 、 表8 表8 、 图1 图1 所示。 2 试样 2 拉伸试验 2 弯曲试验（ D =4 a ） R m /MPa 断裂位置 R-1 728.5 破坏位置在焊缝 无开口缺陷 R-2 722 破坏位置在母材 无开口缺陷 R-3 738 破坏位置在母材 无开口缺陷 R-4 721 破坏位置在母材 无开口缺陷 R-5 695.5 破坏位置在母材 无开口缺陷 试样 熔合线 熔合线+2 mm 焊缝 R-1 184，173，211 （平均189.3） 191，269，249 （平均236.3） 75，83，81 （平均79.7） R-2 155，164，179 （平均166） 253，233，282 （平均256） 126，101，111 （平均112.7） R-3 298，213，202 （平均237.7） 300，305，296 （平均300.3） 82，123，92 （平均99） R-4 198，200，196 （平均198） 262，285，273 （平均273.3） 106，116，125 （平均115.7） R-5 161，150，146 （平均152.3） 187，235，233 （平均218.3） 116，117，92 （平均108.3） 金相检测 2 为研究多次返修对SA-533GrBCL1钢焊接接头区域组织的影响，截取未返修、多次返修和返修后热处理焊接接头表层焊缝、熔合区域金属进行金相检测 ［ 7 7 ］ 。 图2 图2 、 图3 图3 分别为不同返修次数对应焊缝金属及其熔合区的微观金相组织照片。 R-1　　　　　　　　　 R-2　　　　　　　　　 R-3　　　　　　　　 R-4　　　　　　　　　R-5 R-1　　　　　　　　　 R-2　　　　　　　　　 R-3　　　　　　　　 R-4　　　　　　　　　R-5 结果分析 1 拉伸与弯曲试验结果分析 2 由 表7 表7 可知，基于等强原则选择焊条，所获接头焊缝强度高于母材标准值的下限，且经1~5次返修后焊接接头焊态的拉伸强度变化不明显，强度变化最大值不超过17 MPa。经5次返修后，经（610±15） ℃×15 h退火热处理试样的拉伸强度与5次返修后焊态的拉伸强度相比虽然降低了25.5 MPa，但仍高于母材标准值下限；除未返修原始接头断于焊缝外，其他返修拉伸试样断口均在母材，表明返修焊接接头经多次热循环后热影响区可能存在软化带 ［ 8 8 ］ 。从弯曲试验结果看，未见开口缺陷。表明经多次返修后的焊接接头仍表现出良好的塑性和致密性。 冲击试验结果分析 2 由 表8 表8 可知，未返修和经多次返修的焊缝、熔合区和热影响区冲击韧性试验的结果仍高于NB/T 47014-2011《压力容器焊接工艺评定》及相关制造规范要求，不低于38 Akv/J，表明多次返修焊缝仍具有较高的韧性。未返修焊缝因母材稀释的原因导致焊态焊缝金属的冲击韧值相对较低；返修焊缝冲击韧性平均值的变化不大，离散度有所增加，且R-5的冲击韧性高于焊态焊缝。表明经多次返修和经焊后热处理的焊缝组织均匀性或形态有所改变，且焊后热处理表现出一定的韧性降低。 硬度测试结果分析 2 如 图1 图1 所示，R-1焊接接头母材硬度值高，热影响区硬度较低，表明经多次返修后热影响区较未返修接头存在软化，与拉伸断口位置有较好的耦合；5次返修经焊后热处理后的硬度相较于焊态，其母材、热影响区和焊缝硬度均降低，表明焊后热处理降解并平化了焊接接头各区域的硬度差异。 金相检测结果分析 2 由 图2 图2 可知 ［ 9 9 ］ ，未返修（R-1）的焊缝金属组织为针状及块状铁素体；一次返修（R-2）和3次返修（R-3）焊缝金属组织为大块状及针状的先共析铁素体；五次返修（R-4）的焊缝金属组织为片状和块状的白色先共析铁素体。五次返修后经焊后热处理（R-5）的焊缝金属组织为块状铁素体。焊缝金属组织受后续焊道的影响，晶内以细小的块状铁素体和先共析铁素体为主，还有少量的粒状贝氏体。 如 图3 图3 所示，未返修（R-1）和一次返修（R-2）的熔合区和热影响区组织均匀性较好，热影响区晶粒粗化不明显，区域组织为块状与多边铁素体、粒状贝氏体的混合组织；3次返修（R-3）熔合区组织焊缝组织均匀，粗晶区晶粒大小与一次返修相比未见明显变化，组织为多边铁素体与块状铁素体、粒状贝氏体混合组织并有少量珠光体；5次返修（R-4）的组织为片状和块状的白色先共析铁素体；5次返修后经焊后热处理（R-5）焊缝组织为块状铁素体 ［ 10 10 ］ 。熔合区和热影响区组织受后续焊道热影响细化均化较好，原奥氏体晶界消失，为粒状贝氏体、多边与块状铁素体，细晶区晶粒细小均匀，为等轴铁素体和粒状贝氏体。 上述分析表明，SA-533GrBCL1钢热影响区在多次焊接热循环作用下，过热区的晶粒粗化，为粗大的柱状晶组织，在柱状晶的晶界上分布的先共析铁素体，沿晶界上有少量的贝氏体，晶间有粒状贝氏体聚集，晶内为铁素体和粒状贝氏体组织，铁素体多以等轴晶形式存在并略有偏析。但随着返修次数的增加，焊缝和焊后热处理熔合区微观上表现为铁素体组织萌生针状、块状、片状形态转变，并伴生少量粒状贝氏体、珠光体组织形态，与宏观上冲击韧性值离散度有所变化显示出相关性 ［ 11 11 ］ 。 结论 1 （1）从SA-533GrBCL1多次返修和返修焊后热处理拉伸、弯曲、冲击韧性试验和硬度检测结果看，多次返修和返修焊后热处理与未返修焊接接头性能相比较没有异常改变，各项性能指标符合NB/T 47014-2011《压力容器焊接工艺评定》及相关制造规范要求。 （2）从焊缝金属、熔合区及热影响区金相组织分析结果看，SA-533GrBCL1钢焊接接头经多次返修，在多次焊接热循环作用下，热影响区晶粒粗化不明显，但随着返修次数的增加，焊缝和焊后热处理熔合区微观上铁素体组织与组织结构发生转变，宏观上表现为区域冲击韧性值离散度有所变化。 （3）就SA-533GrBCL1钢焊缝的多次返修进行较系统的接头金相组织分析和力学性能测试，为后续的相关研究和工程实践提供了可靠的数据支撑，对拓宽SA-533GrBCL1钢焊接的工程应用实践具有一定的指导意义和参考价值。 参考文献 卢书媛 ， 顾伟 ， 许玉宇 ， 等 . 核电设备用SA533B钢板的组织和性能 ［J］. 理化检验 ， 2011 ， 47 （ 02 ）： 78 - 80 . 核电设备用SA533B钢板的组织和性能 Lu Shuyuan ， Gu Wei ， Xu Yuyu ， Wang Weizhong ， et al . 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