SA517 Gr.B焊接工艺

宋聚海，肖 笑，李美琳

（1.山东核电设备制造有限公司，山东海阳265118；2.河南科技大学材料科学与工程学院，河南洛阳471003）

SA517 Gr.B焊接工艺

宋聚海1，肖 笑2，李美琳1

（1.山东核电设备制造有限公司，山东海阳265118；2.河南科技大学材料科学与工程学院，河南洛阳471003）

采用E11018-G和E12018-G两种不同强度的焊材，对SA517Gr.B高强钢进行焊接工艺试验研究，进行拉伸试验、侧弯试验和冲击弯试验。结果表明，E11018-G和E12018-G焊接材料均能够满足SA517 Gr.B钢材的焊接技术要求，采用E11018-G可有效降低接头焊接应力，降低焊缝裂纹敏感性，提高焊缝质量稳定性。

SA517Gr.B；E11018-G；E12018-G；焊接工艺

0 前言

某大型三代先进压水堆核电站核级模块在设计制造时使用到SA517 Gr.B钢材，厚度31.75 mm，这是标准中规定的最大厚度值，在ASMEⅨ材料分类中为P-NO.11B Group No.4。由于SA517 Gr.B焊接接头的强度级别较高，低温冲击韧性要求较高，在产品焊接制造过程中，焊接的一次性合格率不高，多有裂纹性质缺陷，焊接接头的质量稳定性较差，因此有必要对SA517 Gr.B焊接工艺进行研究。在实际产品制造过程中产生的焊缝裂纹缺陷如图1所示。

图1 SA517 Gr.B焊缝裂纹缺陷Fig.1Cracking in weld of SA517 Gr.B

1 SA517 Gr.B低合金调质钢及其焊接性

ASME材料标准中，SA517 Gr.B材料的抗拉强度要求为795～930 MPa，调质状态下供货和使用。其特点是含碳量较低、强度高、兼有优良的塑性和韧性，可直接在调质状态下焊接成形，焊后无需调质处理。为保证良好的焊接性和使用性能，通常要求SA517 Gr.B中w（C）≤0.21％。虽然含碳量较低，但由于各种合金元素的加入增加了其碳当量，使其焊接性变差；另一方面，在焊接过程中较高的抗拉强度会产生较明显的局部应力集中问题，增大了焊接裂纹敏感性。

SA517 Gr.B钢板化学成分如表1所示，依据国际焊接学会ⅡE规定的碳当量公式，计算SA517 Gr. B钢的碳当量为：

Ceq=C+Mn/6+（Cr+Mo+V）/5+（Ni+Cu）/15≈0.484

碳当量在0.4～0.6之间，焊接时淬硬倾向较大，易于生成淬硬组织，需要预热及后热处理，以避免产生焊接冷裂纹。

SA517 Gr.B钢板的力学性能如表2所示。

表1 SA517 Gr.B母材化学成分Table 1Chemical compositions of SA517 Gr.B ％

表2 SA517 Gr.B力学性能Table 2Mechanical character of SA517 Gr.B

钢材含碳量较低，w（Mn）/w（S）较大，热裂纹倾向较小，淬火后易得到低碳马氏体。在低碳马氏体转变温度约390℃时，如果冷却较慢，则生成的马氏体，可进行一次“自回火”处理，得到韧性较好的回火马氏体，有效避免冷裂纹的产生；若冷却速度较快，得不到“自回火”效果，则冷裂倾向增大[1]。HAZ受焊接过程加热和冷却速度的影响，易形成软化带和脆性组织[2]，主要原因是t8/5增加时引起了粗大晶粒，在HAZ会形成上贝氏体M-A组元，降低HAZ韧性，增加脆性。

2 焊接试验

2.1 试件焊接

分别采用E11018-G和E12018-G两个不同强度级别的焊材进行焊接试验。按照ASME焊接填充材料标准，E11018-G最低抗拉强度为760 MPa，用于SA517 Gr.B焊接属于“低强匹配”焊接接头，这种“低强匹配”在民用设施建造中已广泛应用，但在核电建造行业中，目前尚无应用实例，其在核电建造方面的应用有待于进一步的试验研究和验证。为满足与母材强度的匹配性，本研究的E11018-G焊材在满足焊接材料标准的基础上，增加了抗拉强度力学性能要求，规定抗拉强度最低值为795 MPa。在满足ASME规范要求的基础上，提高技术要求是符合ASME建造规范体系要求。

两种焊材的化学成分如表3所示，力学性能如表4所示。

表3 焊材化学成分Table 3Chemical compositions of welding material ％

表4 试验用焊材力学性能Table 4Mechanical character of welding material

2.2 焊接接头及工艺参数

SA517 Gr.B焊接试板规格为500 mm×200 mm× 31.75 mm，单面V型坡口，施焊位置为立向上焊3G位置。焊接时预反变形，焊前预热，焊接过程中严格控制层间温度，层间温度过高会使热影响区冷却速度缓慢，形成马氏体+奥氏体混合组织和粗大的贝氏体，降低强度，韧性变差[3]。而过高的热输入会降低接头的冲击韧性和强度[4]，本研究焊接过程中最大线能量为30 kJ/cm。根据文献[5]，采用E12018-G焊条时，预热温度为150℃；使用E11018-G焊条时，预热温度为100℃。本研究采取焊前预热，并配合后热来改善HAZ韧性，综合考虑实际产品制造过程中局部热处理的困难程度，对焊接试件进行免除焊后热处理。试件接头形式如图2所示，焊接参数如表5所示。

图2 焊道分布示意Fig.2Schematic of weld interpass

表5 焊接参数Table 5Welding parameters

2.3 后热处理

SA517 Gr.B为淬火+回火处理的低合金调质钢，后热处理过程中如果加热温度超过回火温度，则钢板失去调质效果，其强度和韧性都会受到影响。本研究对焊接试件采取了预热温度下保温2 h后缓冷的后热处理。

3 试验和结果分析

主要进行拉伸、侧弯、焊缝金属冲击（-20℃）、热影响区冲击（-20℃）试验。采用E11018-G和E12018-G焊材焊接的试件编号分别为T1、T2。

3.1 拉伸试验

E11018-G、E12018-G两种焊材焊接的试件各取2件试样进行拉伸试验，结果见表6。

表6 拉伸试验Table 6Tensile test

由表6可知，采用E11018-G和E12018-G焊材的焊缝强度均满足母材抗拉强度要求，采用E11018 -G焊接试件的抗拉强度低于E12018-G焊接试件的抗拉强度。

对SA517 Gr.B这类低合金高强钢而言，在满足母材强度匹配条件下，焊接接头强度越低，越能较好地控制焊接冷裂纹产生。降低焊缝残余应力和预热温度，是解决高强钢焊接性难题的有效途径。

3.2 弯曲试验

对E11018-G和E12018-G焊材焊接的试件分别取4件试件进行侧弯试验，侧弯后受检面形貌如图3和图4所示。E11018-G焊材的试件弯曲后，凸面焊缝和热影响区任何方向上都没有开口缺陷。采用E12018焊材的试件弯曲后，其中3件没有开口缺陷，1件在焊缝根部熔合区存在1处2.60 mm的开口缺陷，在合格范围内。对2.60 mm开口缺陷进行断口分析，断口形貌如图5所示，呈准解理断裂并带有韧窝特征，可见粗大扁平的韧窝、解理台阶和局部的小气孔，部分韧窝中有少量夹杂物。

图3 T1侧弯试验试样Fig.3Bend test samples of T1

图4 T2侧弯试验试样Fig.4Bend test samples of T2

图5 断口形貌Fig.5Fracture appearance

试验结果表明，E11018-G焊材强度相对较小，延展性相对较好，满足母材综合机械性能要求，更适用于SA517 Gr.B材料的焊接。

3.3 冲击试验

对E11018-G和E12018-G焊材焊接试件的焊缝金属及热影响区（HAZ）分别进行了-20℃冲击试验，结果如表7所示。

表7 冲击试验Table 7Impact test -20℃

采用E11018-G和E12018-G焊材的冲击性能均能满足标准和设计技术要求。采用E12018-G焊材的焊缝和热影响区冲击试验值偏低，原因是采用的规范参数稍大，从而造成对焊缝金属的热输入量偏大。

4 结论

（1）E12018-G用于SA517 Gr.B材料焊接时，焊接接头强度较高，焊缝金属裂纹敏感性高。

（2）采用E11018-G焊材可有效降低微裂纹产生概率，获得综合性能良好的焊接接头。

（3）为满足SA517 Gr.B材料焊接接头的强度匹配要求，采用E11018焊材焊接时，需在标准基础上提高焊材最低强度要求。

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Study on the welding procedure of SA517 Gr.B

SONG Juhai1，XIAO Xiao2，LI Meilin1
（1.Shandong Nuclear Power Equipment Manufacturing Co.，Ltd.，Haiyang 265118，China；2.School of Material Science &Engineering，He’nan University of Science and Technology，Luoyang 471003，China）

The welding procedure of SA517Gr.B was studied based on the two different welding consumables E11018-G and E12018-G which has different strength in this paper.Tension test，guided-bend test and notch-toughness test were done，and the results show that both E11018 and E12018 are meet the welding technical requirements of SA517 Gr.B.E11018-G can reduce the welding stress and cracking sensibility，and gain steady-quality weld.

SA517 Gr.B；E11018 G；E12018 G；welding process

TG457.11

B

1001－2303（2017）01－0092-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.01.17

献

宋聚海，肖笑，李美琳.SA517 Gr.B焊接工艺[J].电焊机，2017，47（1）：92-95.

2015-08-23；

2016-07-25

宋聚海（1984—），男，山东菏泽人，硕士，工程师，主要从事核电设备、容器焊接工艺及特种焊接材料的研发工作。