国产核I级ER308L焊丝性能研究

许祥平，杨家旺，邹家生

(江苏科技大学先进焊接技术省级重点实验室，江苏镇江212003)

核电作为一种清洁、技术成熟且可持续发展的能源日益得到广泛应用［1-3］.我国核电建造中，目前仅能够自主生产非核级焊材和部分核级焊材，而生产的核级焊材也是作为进口焊材的补缺产品，不具备成套供应的能力，尤其是使用的核I级焊材全部依靠进口.进口的核I级焊材采购周期长，价格昂贵，且存在因政治原因被封锁的风险，不利于我国核电事业发展.因此，积极开展核I级焊材的国产化研究是我国核电事业安全、稳定发展的重要保障［4-5］.

文中采用上海大西洋焊材有限公司研发的国产核I级ER308L焊丝，根据法国RCC-M标准(法国《压水堆核岛机械设备设计和建造规则》的简称，我国部分核电站的设计和建造主要遵循这个标准)测试了焊丝的熔敷金属成分和力学性能;对采用核I级ER308L焊丝焊接00Cr18Ni9不锈钢的焊接工艺参数进行优化;并与采用国外核I级ER308L焊丝、国内普通ER308L焊丝的焊接接头进行对比分析.研究结果为核I级ER308L氩弧焊丝的国产化应用提供试验依据.

1 试验材料及方法

试验焊材采用上海大西洋焊材有限公司生产的φ2mm国产核I级ER308L焊丝，对比焊材为国外核I级ER308L焊丝(瑞典ESAB公司产品)和国内普通ER308L焊丝，试验母材采用00Cr18Ni9奥氏体不锈钢.00Cr18Ni9不锈钢及国产核I级ER308L焊丝的化学成分测试值及RCC-M标准规定的焊丝化学成分见表1.

1.1 熔敷金属试验

根据RCC-M标准的规定需对研制的国产核I级ER308L氩弧焊丝进行熔敷金属试验，熔敷金属试验各项参数如表2.

熔敷试验后对熔敷金属进行室温拉伸试验、室温KV冲击试验和熔敷金属化学成分分析.

表1 国产核I级ER308L焊丝及00Cr18Ni9不锈钢化学成分Table 1 Chemical compositions of the domestic nuclear grade I ER308L and 00Cr18Ni9 stainless steel

表2 熔敷金属试验参数Table 2 Test parameters of deposited metal

1.2 焊接工艺优化试验

制定3种不同的焊接工艺参数，采用国产核Ⅰ级ER308L焊丝对00Cr18Ni9不锈钢进行焊接试验，焊接工艺参数见表3.

表3 焊接工艺优化参数Table 3 Welding parameters

焊前母材需开60°单面V形坡口，钝边2 mm，坡口及其内外壁两侧各20 mm范围内打磨出金属光泽，丙酮清洗并干燥，点焊装配，装配间隙为2 mm.焊丝需用丙酮擦洗并干燥.焊接正面和背面保护气体为氩气，氩气流量为15 L/min，纯度≥99.99%;焊接方法为手工钨极惰性气体保护焊，多层多道焊，层间温度≤150℃.

焊后对试板进行超声波探伤，未发现缺陷.根据RCC-M标准制备拉伸、冲击和金相试样，测试常温拉伸性能和冲击性能.

1.3 国内外焊丝性能对比试验

试验母材采用00Cr18Ni9奥氏体不锈钢，其化学成分见表1，焊接工艺试板尺寸规格为400mm×150 mm×12 mm.试验焊材采用国产核I级ER308L焊丝(φ2 mm，化学成分见表 1)、国外核 I级ER308L焊丝(φ1.5 mm)、国内普通 ER308L 焊丝(φ2 mm)，焊接参数采用经优化的焊接工艺参数.

焊后对试板进行超声波探伤，未发现缺陷.根据RCC-M标准，测试常温拉伸性能、冲击性能，分析接头成分.

2 试验结果及分析

2.1 熔敷金属试验

熔敷金属的力学性能如表4，国产核Ⅰ级ER308L氩弧焊丝的熔敷金属抗拉强度Rm、屈服强度Rp0.2、断后伸长率A和冲击功均满足 RCC-M标准要求，且其抗拉强度高于规定下限值147 MPa，屈服强度高于规定下限值125 MPa，断后伸长率高于规定值20.5%，冲击功高于规定值30J.

这表明国产核Ⅰ级ER308L氩弧焊丝熔敷金属的强度、塑性和冲击韧性均较好.

表4 国产核Ⅰ级ER308L氩弧焊丝熔敷金属的力学性能Table 4 Mechanical properties of deposited metal

2.2 焊接工艺对接头性能的影响

2.2.1 拉伸性能

焊接电流不同时，国产核Ⅰ级ER308L氩弧焊丝接头的拉伸性能如表5.

由表5可知在100，120，140 A 3种电流焊接接头的抗拉强度Rm、屈服强度Rp0.2和断后伸长率A均符合R-CCM标准规定.在3种焊接电流参数下，焊接电流为120 A时，接头抗拉强度Rm最高为636 MPa，屈服强度Rp0.2最低为 327 MPa，断后伸长率最高为50%，屈强比最小为0.51，屈强比低表示材料的塑性较好.因此，焊接电流为120A时，焊接接头的抗拉强度和塑性最佳.

表5 不同焊接电流下国产核Ⅰ级ER308L氩弧焊丝接头拉伸性能Table 5 Tensile properties of the welding joint in different welding current

3种焊接接头选用的母材和焊材均一致，因此焊接电流成为影响焊接接头拉伸性能的主要因素.不同焊接电流时焊缝中心及熔合线附近的微观组织如图 1，2.

图1 不同焊接电流时焊缝中心微观组织Fig.1 Weld center microstructure of different welding current

图2 不同焊接电流时熔合线附近的微观组织Fig.2 Microstructure near the fusion line of different welding current

在100，120 A时，随着焊接热输入增大，焊缝内部冶金反应更加充分，焊接接头中析出适量δ铁素体，从而得到优良焊接接头，焊接接头的拉伸性能上升;当焊接电流升高到140A，此时热输入量过大，焊缝在高温下停留时间过长，而熔池的冷却速度过慢，导致焊缝内形成更加粗大的枝晶，焊缝内的有益合金元素烧损过多，且此时焊接接头析出过量的δ铁素体，从而使接头的拉伸性能下降.

2.2.2 冲击性能

焊接电流不同时，采用国产核Ⅰ级ER308L氩弧焊丝焊接接头不同部位的冲击功如表6.

表6 不同焊接电流下接头的冲击功Table 6 Impact energy of the welding joint for different welding currents

由表6可以看出，3种不同电流下的焊接接头的冲击功均满足RCC-M标准中ER308L焊丝焊接接头的室温冲击功≥60J的要求，且焊缝中心的冲击功均低于熔合线和熔合线+2 mm处的冲击功，这是因为焊缝中心组织受焊接热输入的影响以粗大的枝晶为主，而熔合线处的组织较焊缝中心的细小，且其组织受焊接热输入的影响和焊接变形较焊缝中心小;而熔合线+2 mm处为焊接热影响区，其组织受焊接热输入的影响最小.同时，焊缝中心处受焊接热输入影响较大，焊缝中心高温停留的时间长，此时越有利于δ铁素体析出，而δ铁素体会使焊缝的冲击韧性下降.

随着焊接电流的升高，焊缝中心、熔合线和熔合线+2mm处的冲击功先升后降，当焊接电流由100 A升到120A时，焊缝中心、熔合线和熔合线+2 mm处的冲击功随着电流的增加而增加，因为随着焊接热输入的增加，焊缝内的冶金反应更加充分，析出适量的δ铁素体，更加容易获得优良的焊缝;当焊接电流上升到140 A时，焊缝中心、熔合线和熔合线+2mm处的冲击功略有下降，因为随着焊接电流的继续增大，此时的热输入过大，焊缝在高温下停留时间过长，焊接冷却速度过慢，导致焊缝内形成组织粗大的枝晶，且高温停留时间长，使得焊缝内析出过量的δ铁素体，使得接头的韧性下降.

当焊接电流为120 A时，接头的冲击韧性为最佳.

2.3 国内外焊丝性能对比

2.3.1 拉伸性能对比

在焊接参数优化的基础上，对采用国产核I级ER308L焊丝、国外核I级ER308L焊丝和国产普通ER308L焊丝焊接00Cr18Ni9奥氏体不锈钢焊接接头性能进行了对比试验，3种不同焊丝接头的拉伸性能见表7.

3种焊丝的焊接接头抗拉强度Rm和屈服强度Rp0.2均符合 RCC-M 标准要求，其中国产核Ⅰ级ER308L氩弧焊丝焊接接头的抗拉强度和屈服强度分别为636MPa和327MPa，均为最高，且其Rm值和Rp0.2值比国外核I级ER308L焊丝焊接接头高出49 MPa和19MPa，比国内普通ER308L焊丝焊接的接头高出38MPa和14MPa.在3种焊丝中，国产核I级氩弧焊丝焊接接头的拉伸性能为最佳.

表7 3种焊丝焊接接头拉伸强度Table 7 Tensile strengths of the welded joint with three welding wires

2.3.2 冲击性能对比

3种焊丝焊接00Cr18Ni9奥氏体不锈钢接头的冲击性能如表8.国产核I级ER308L氩弧焊丝接头在焊缝中心、熔合线及熔合线+2 mm三处的冲击功高于国外核I级焊丝;国产核I级ER308L氩弧焊丝接头在熔合线和熔合线+2 mm处的冲击功高于国内普通焊丝，但焊缝中心处冲击功低于国内普通焊丝.即国产核I级ER308L氩弧焊丝焊接不锈钢接头冲击功高于国外核I级焊丝，略低于国内普通焊丝.

在核电应用领域，国产核I级ER308L氩弧焊丝焊接不锈钢接头冲击韧性优于国外核I级焊丝，而国内普通焊丝不能应用于该领域.

表8 3种焊丝焊接接头冲击值对比Table 8 Impact energy of the welded joint with three welding wires

2.4 成分分析

奥氏体中铁素体对S、P、Si和Nb等元素溶解度较大，能防止这些元素的偏析和形成低熔点共晶，从而阻止热裂纹产生.但铁素体与奥氏体的电极电位不同，铁素体数量超过某一限度后，会使点蚀倾向增大，造成奥氏体不锈钢耐腐蚀性能降低，因此铁素体含量不宜过高［6-8］.根据RCC-M标准的规定，采用ER308L奥氏体不锈钢焊丝形成的焊缝铁素体含量为8% ～12%为最佳.

3种不同焊丝的焊接接头区化学成分如表9.经计算得出国产核I级ER308L氩弧焊丝焊接接头铁素体含量为9.8%;国外核I级ER308L焊丝焊接接头铁素体含量为7.8%;国内普通ER308L焊丝焊接接头铁素体含量为12.5%.只有国产核I级ER308L氩弧焊丝焊接接头符合RCC-M中标准的8%～12%，国外核I级ER308L焊丝焊接接头铁素体含量接近RCC-M标准下限，而国内普通ER308L焊丝焊接接头铁素体含量高于RCC-M标准上限.

国产核I级ER308L氩弧焊丝所焊的焊接接头的成分严格符合RCC-M标准的规定，其焊接接头的抗热裂性、抗晶间腐蚀性和耐腐蚀等性能均优于其他两种焊丝，因此适合用于核电站中的核Ⅰ级设备的焊接中.

表9 焊接接头化学成分Table 9 Chemical compositions of the welded joints

3 结论

1)国产核I级ER308L氩弧焊丝的熔敷金属中的铁素体含量适中，抗拉强度、屈服强度、断后伸长率和冲击功均符合RCC-M标准中的要求.

2)国产核Ⅰ级ER308L氩弧焊丝在焊接电流为120A时的焊接接头拉伸性能、冲击性能和接头铁素体含量均优于100A和140A焊接电流时的焊接接头.

3)国产核I级ER308L氩弧焊丝焊接接头的拉伸性能和焊接接头铁素体的含量均优于国外核I级ER308L焊丝和国内普通ER308L焊丝;焊接接头在焊缝、熔合线及熔合线+2mm三处的冲击值都比国外核I级焊丝的要高，但在焊缝中心处的冲击韧性值低于国内普通焊丝，国产核I级ER308L氩弧焊丝焊接接头的冲击韧性不弱于其他两种焊丝;焊接接头的铁素体含量为9.8%，优于其他两种焊丝，国产核I级ER308L氩弧焊丝焊接接头的耐腐蚀性和抗热裂等性能为最优.

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