SA 738 Gr.B焊接接头力学性能

张俊宝，丛大志，谷 雨，余 燕

（上海核工程研究设计院有限公司，上海200233）

0 前言

钢制安全壳是先进压水堆AP1000和CAP1400重要的核级设备之一，是防止放射性物质扩散的第三道安全屏障，反应堆压力容器和蒸汽发生器等核心部件及相关结构模块均安装于钢制安全壳内[1-2]。SA-738 Gr.B低合金钢具有良好的力学性能，主要用于钢制安全壳拼焊，符合先进压水堆AP1000和CAP1400安全壳用钢的要求[3-4]。

SA-738 Gr.B低合金钢综合运用炉外精炼、控轧技术、细晶强化等措施，获得了以下贝氏组织为主的贝氏体钢。研究表明，随着冷却速度的降低，SA-738 Gr.B低合金钢将先后发生贝氏体、贝氏体/先共析铁素体、贝氏体/先共析铁素体/珠光体的组织转变，硬度相应降低。另外，随着焊接线能量的增加，SA-738 Gr.B低合金钢焊接接头冲击韧性呈下降趋势。SA-738 Gr.B低合金钢焊接接头适合预热，采用小焊接线能量，以保证接头良好的韧性。SA-738 Gr.B低合金钢焊接接头力学性能的影响因素较为复杂，目前工程上采用的焊接方法有SMAW（手工电弧焊）和GMAW（熔化极气体保护焊），本研究主要开展钢制安全壳SA-738 Gr.B低合金钢SMAW和GMAW焊接接头力学性能、组织结构分布特征分析研究，为先进压水堆AP1000和CAP1400安全壳焊接工艺设计提供技术支持，并为解决工程问题提供依据。

1 试验方法和材料

采用无拘束状态焊接的试验方案，焊接材料、母材、坡口加工及焊接工艺等均与CAP1400核电站钢制安全壳的技术要求保持一致。其中，母材为55mm厚的SA 738 Gr.B钢板，SMAW采用E9018-G焊条，GMAW采用ER90S-G焊丝。母材化学成分、交货态室温拉伸和冲击性能如表1和表2所示，焊条和焊丝的化学成分如表3和表4所示。

表1 SA 738 Gr.B化学成分Table 1 Chemical composition of SA 738 Gr.B %

表2 SA 738 Gr.B力学性能Table 2 Mechanical properties of SA 738 Gr.B

表3 E9018焊条化学成分Table 3 Chemical composition of E9018 %

表4 ER90S-G化学成分Table 4 Chemical composition of ER90S-G %

采用SMAW和GMAW各焊接1块试板，焊条E9018-G直径分别为φ4.0和φ1.2，焊接参数见表5。预热温度最低为93℃，焊接位置为3G，焊后的试板切割为两部分，一部分为焊态，另一部分在595～620℃区间进行焊后热处理，保温时间10 h。

2 焊态及焊后热拉处理态试验结果与讨论

2.1 焊接接头力学性能

按ASME第Ⅸ卷要求[5]，SMAW及GMAW焊接接头拉伸试验各取2组全厚度试样，试验温度为室温；每种焊接方法热影响区和焊缝金属的冲击试样各1组（3个试样），取样位置在1/4T（T为焊接接头厚度），冲击试验温度为-29℃。焊接接头焊态和焊后热处理态的拉伸性能、热影响区和焊缝金属的冲击性能对比如表6、表7所示。

表5 焊接参数Table 5 W elding parameters

表6 SMAW焊接接头焊态和焊后热处理态的力学性能对比Table6 Comparison of mechanical properties between welded and post weld heat treated SMAW welded joints

表7 GMAW接接头焊态和焊后热处理态的力学性能对比Table 7 Comparison of mechanical properties between welded joint and post weld heat treatment state of GMAW joint

由表6和表7可知，焊后热处理降低了焊接接头拉伸性能，未能改善热影响区的冲击性能，导致热影响区和焊缝冲击性能降低。

2.1 组织分析

SMAW焊接接头焊态和焊后热处理态焊缝金属金相、SEM与TEM电子显微组织分别如图1～图3所示。可以看出，焊缝金属组织主要为针状铁素体+下贝氏体及少量马氏体的混合组织，部分组织为等轴状铁素体。TEM分析表明铁素体晶界处有尺寸约300 nm的铝硅锰氧复合物，选取3个位置化学成分如表8所示。同时，有较多数量的碳化物析出。焊后热处理态与焊态相比，焊缝金属晶粒长大，碳化物数量明显增多，导致焊后热处理态的冲击性能 下降。

图1 SMAW焊缝金属金相组织Fig.1 Microstructure of SMAW weld

图2 SMAW焊缝金属SEM电子显微组织Fig.2 SEM Microstructure of SMAW weld

图3 SMAW焊缝金属TEM电子显微组织Fig.3 TEM Microstructure of SMAW weld

GMAW焊缝金属金相组织如图4所示。由图4可知，焊缝金属的组织不均匀，主要为针状铁素体+下贝氏体+少量马氏体的混合组织，同时部分组织为等轴状的铁素体。

GMAW焊缝金属SEM与TEM电子显微组织分别如图5、图6所示。SEM与金相组织分析结果一致。TEM分析表明，铁素体内部存在高密度的位错亚结构，碳化物分布在铁素体晶界和晶粒内部。焊后热处理态与焊态相比，焊缝金属晶粒长大，碳化物数量明显增多，导致焊后热处理态的冲击性能下降。

表8 焊缝金属杂质化学成分EDS分析结果Table 8 EDS Chemical analysis for weld inclusion %

图4 GMAW焊缝金属金相组织Fig.4 Microstructure of GMAW weld

图5 GMAW焊缝金属SEM电子显微组织Fig.5 SEM Microstructure of GMAW weld

图6 GMAW焊缝金属TEM电子显微组织Fig.6 TEM Microstructure of GMAW weld

此外，对两种焊接方法的焊态及焊后热处理态的热影响区组织进行分析。SMAW焊接接头焊态和焊后热处理态热影响区金相组织差别不大。焊接接头SMAW焊缝金属/热影响区交界处金相组织如图7所示。可以看出，紧靠焊缝金属处的热影响区为粗晶组织（CGHAZ），主要是回火贝氏体组织以及局部回火马氏体组织。

SMAW焊后热处理态热影响区冲击性能与GMAW相比数值较低，因此对SMAW热影响区进行SEM分析。焊接接头SMAW热影响区SEM电子显微组织如图8所示，与金相分析结果一致。此外，热处理态焊接接头热影响区中碳化物数量明显多于焊态，因此焊后热处理态的冲击性能下降较多。

图7 SMAW焊缝金属/热影响区交界处及热影响区金相组织Fig.7 Microstructure of SMAW HAZ and boundary between weld and HAZ

图8 SMAW热影响区SEM电子显微组织Fig.8 SEM Microstructure of SMAW HAZ

GMAW焊接接头焊态和焊后热处理态热影响区金相组织差别不大，如图9所示。可以看出，紧靠焊缝金属处的热影响区为晶粒尺寸较大的粗晶组织（CGHAZ），主要是贝氏体组织以及局部马氏体组织；从焊缝金属向母材方向推移，热影响区为细晶粒状贝氏体组织以及部分马氏体组织（FGHAZ）；从焊缝金属进一步向母材方向推移，热影响区为细晶铁素体与粒状贝氏体混合组织（ICHAZ），该区域组织与FGHAZ不易区别。

2.3 讨论

由试验结果可以看出，焊后热处理对SMAW和GMAW两种焊接接头拉伸性能影响不大，焊后热处理未能改善热影响区的冲击性能。焊后热处理导致焊缝冲击性能降低。SMAW、GMAW焊态、焊后热处理态热影响区组织主要是贝氏体组织、局部马氏体组织。焊态和焊后热处理态焊接接头的力学性能均满足要求。按ASME第Ⅸ卷要求，焊接的热输入是焊接工艺评定的附加重要变素，影响冲击性能，SMAW的最大热输入为38.4 kJ/cm，GMAW的最大热输入为12 kJ/cm，SMAW的热输入较大，使热影响区中碳化物数量明显增多，导致焊缝和热影响区的冲击性能下降幅度较大。因此，在工程中应尽量采用较小的焊接热输入。

图9 GMAW焊缝金属/热影响区交界处金相组织Fig.9 Microstructure of boundary between GMAW weld and HAZ

随着焊后热处理的进行，焊缝经历了回复、再结晶等变化过程，同时晶粒中夹杂物元素向晶界聚集，降低晶界结合能，造成冲击韧性降低。

3 结论

（1）焊接热输入对焊接接头的冲击性能影响很大，热输入较高给接头的冲击性能带来不利影响。

（2）随着焊后热处理的进行，焊缝经历了回复、再结晶等变化过程，同时焊缝和SMAW热影响区晶粒中夹杂物元素向晶界聚集，降低晶界结合能，导致焊缝和热影响区冲击韧性降低。