CA6NM型马氏体不锈钢取消热处理焊接工艺研究

王小芯，李方明

中国核工业二三建设有限公司 北京 101320

1 序言

目前，核电站的一回路泵用叶轮、A PA前置泵、主给水泵泵壳等部件广泛采用CA6NM型马氏体不锈钢制造。随着我国核电站的大量投入运行，在役核电设备检维修工作将是核电板块工作的重点之一。在某核电站的在役检维修过程中，曾对APA前置泵泵壳出现的缺陷进行了局部焊接返修。常规的马氏体不锈钢在焊后为提高焊缝的力学性能，增加了焊后热处理工序，热处理所消耗的时间一般为10～15h，鉴于核电站检维修过程中安全控制和对焊接环境有严格的要求，对焊缝进行焊后热处理既有较多的安全风险和操作难度，也影响现场的施工周期和进度。因此，开展核电站用马氏体不锈钢取消焊后热处理的焊接工艺研究工作，对以后进行核电检维修领域的工作具有积极意义。

本次研究选用CA6NM型马氏体不锈钢母材，中文牌号为0Cr13Ni4Mo，采用手工钨极氩弧焊打底加焊条电弧焊填充的焊接方法进行焊接。通过对马氏体不锈钢焊接工艺的研究，在合理的焊接参数下，制定马氏体不锈钢取消焊后热处理的焊接工艺。

2 CA6NM型马氏体不锈钢的焊接性分析

2.1 CA6NM型马氏体不锈钢化学成分及力学性能

CA6NM型马氏体不锈钢是在铬系马氏体不锈钢中加入Ni、Mo元素，降低碳含量，成为含Ni、Mo的超级马氏体不锈钢，其化学成分见表1，力学性能见表2。

表1 CA6NM型马氏体不锈钢化学成分（质量分数） （%）

表2 CA6NM型马氏体不锈钢力学性能

2.2 CA6NM型马氏体不锈钢焊接性能分析

由于Cr是促进铁素体生成元素，在马氏体不锈钢中wCr＞12%，所以为了提高淬透性，使热处理后形成马氏体组织，钢中含有较多的C、Ni等元素。当焊接接头刚度大或氢含量高时，在焊接应力作用下，特别是高温直接冷至100℃以下时，很容易产生冷裂纹。碳含量越高，焊缝及热影响区硬度就越高，对冷裂纹越敏感[1，2]。

马氏体不锈钢焊接最主要的相变过程是熔池金属和加热到奥氏体相的热影响区金属中发生的奥氏体-马氏体转变，其在Ac3临界温度以上是奥氏体组织，当焊后快速冷却时，面心立方的奥氏体转变为体心立方的马氏体，溶碳能力降低，导致体积发生变化，产生应力并伴随塑性下降[1，3]。

韧性下降主要是由于接头脆化，而接头脆化的主要原因是焊接热影响区粗晶区或焊缝金属的晶粒粗大。在焊接过程中，当热影响区粗晶区的奥氏体化时间较长、晶粒长大速度较快时，冷却后就得到粗大的马氏体组织，使其冲击韧度降低[3，4]。

3 焊接工艺方案

3.1 焊接材料的选择

马氏体不锈钢常用的焊接材料有3类：第一类是与母材成分和组织相近的焊接材料；第二类是奥氏体焊接材料；第三类是焊缝金属与母材热膨胀系数接近的焊接材料[1]。

1）采用与母材金属成分相同或相近的焊接材料施焊时，马氏体的相变过程在焊缝冷却后会形成又脆又硬的马氏体+铁素体组织，这种焊缝很容易导致冷裂纹的产生。这样的焊缝在焊接完成后通常需要进行焊后热处理[1]。

2）选用奥氏体焊接材料将得到奥氏体金属焊缝，其塑性良好，残余应力低，可以减少冷裂纹的生成。但焊缝金属为奥氏体组织时，焊接接头在强度上为低匹配，焊缝金属在化学成分、金相组织和热物理性能及力学性能等方面已与母材有很大不同，焊接残余应力难以避免，特别是在高温环境下使用时，其产生的热应力会导致焊接接头的失效[1]。

3）选用热膨胀系数与母材接近的焊接材料，可使焊缝金属与母材在强度、塑性上更匹配，从而可降低焊接残余应力，减少焊接裂纹，如镍基焊接材料等[1]。

此次工艺试验即采用了热膨胀系数与马氏体不锈钢接近的镍基焊接材料。氩弧焊使用镍基ERNiCrMo-3焊丝，焊条电弧焊使用镍基ENiCrMo-3焊条，生产制造标准符合ASME第II卷C篇要求。ERNiCrMo-3焊丝化学成分及力学性能分别见表3、表4，ENiCrMo-3焊条化学成分及力学性能分别见表5、表6。

表3 ERNiCrMo-3焊丝化学成分（质量分数） （%）

表4 ERNiCrMo-3焊丝力学性能

表5 ENiCrMo-3焊条化学成分（质量分数） （%）

表6 ENiCrMo-3焊条力学性能

3.2 焊接坡口设计

为适应核电现场实际情况，此次工艺试验选用CA6NM型马氏体不锈钢板，板长500mm，板厚30mm。采用氩-电联焊的焊接方法，单面焊双面成形。考虑板材厚度，并最大程度减小焊接变形，采用双V形坡口，即35°V形坡口加15°V形坡口，坡口形式如图1所示。

图1 焊缝坡口形式

3.3 焊接热输入

焊接热输入过大会造成组织过热，从而形成魏氏体组织、粗大晶粒及网状晶界，使焊接接头脆化。为此，必须严格控制焊接热输入，采用低参数、多层多道焊。但热输入也不能过小，否则，由于冷却快，过热区易产生粗大的马氏体组织，导致塑韧性下降，在扩散氢及焊接应力的作用下出现冷裂纹。综合考虑上述因素，氩弧焊（GTAW）热输入应≤5.98kJ/cm，焊条电弧焊（SMAW）热输入应≤39.55kJ/cm。

3.4 焊前预热

CA6NM型马氏体不锈钢有较大淬硬倾向和裂纹倾向，为了减小焊接应力、降低焊接接头的温度梯度，防止出现裂纹等缺陷，必须进行焊前预热。预热温度控制为100～150℃，加热宽度从待焊接的焊缝边缘开始计算，每侧加热宽度不小于焊件厚度的4倍，加热区域以外的100mm区域应进行保温，预热力求均匀。

3.5 层间温度

由于使用镍基焊接材料作为填充材料，为降低镍基焊缝在高温下产生热裂纹的倾向，并综合考虑焊接马氏体不锈钢的预热温度，因此控制每层焊道间温度为100～150℃。同时，为了保证后一焊道对前一焊道起到回火作用，焊接时每层焊道厚度不超过焊条直径，摆幅不超过焊条直径的3倍。

3.6 焊接操作

在使用镍基焊丝进行马氏体不锈钢打底焊时，在焊接熄弧时注意防止由于应力作用在弧坑部位导致的裂纹产生，因此在焊接熄弧前应稍作停留，控制送丝量，使弧坑形状圆满。焊接过程注意焊接参数的控制，焊接热输入不宜过大，试验过程中的焊接参数见表7。

表7 试验过程中的焊接参数

3.7 焊后缓冷

当焊接接头刚度大或氢含量高时，在焊接应力作用下，特别是从高温直接冷至100℃以下时，很容易产生冷裂纹。因此，为防止焊缝冷却速度过快，在焊接完成后对焊接区域覆盖保温棉，使焊缝缓慢冷却，从而避免冷裂纹的产生。

4 模拟试件焊接

根据制定的工艺方案和焊接参数，选择尺寸为500mm×150mm×30mm的CA6NM型马氏体不锈钢进行模拟试件的焊接。

4.1 人员及主要设备使用情况

使用技能水平较高的焊工，采用氩弧焊和焊条电弧焊联合焊接的方法，焊接位置为3G立向上。人员和设备应用情况见表8。

表8 人员和设备应用情况

4.2 坡口制备

尺寸为500mm×150mm×30mm的CA6NM型马氏体不锈钢坡口采用机械加工，坡口形式如图1所示。

4.3 焊前准备

清理周围易燃物，并设置焊接隔离区域，无关人员禁止进入。焊接材料按规定进行领取，焊条需在350℃温度下烘干2h。仪器仪表、温度计、焊机及热处理设备等均在标定合格的范围内。焊前检查坡口尺寸及清洁度，在焊接试板上做好标识。

4.4 预热及层间温度控制

焊接马氏体不锈钢时，为了避免冷裂纹的产生，需要谨慎地进行预热和层间温度控制。在使用镍基焊接材料的情况下，为防止马氏体不锈钢焊接冷裂纹的产生，同时降低镍基焊接材料热裂纹产生的可能，因此预热温度及层间温度控制为100～150℃。

4.5 焊接操作要点

焊前清除坡口边缘20mm范围内的油污、铁锈和水分等杂物。打底层焊接时注意背面的氩气保护，防止因空气进入焊缝内部而影响焊缝质量。焊道分布如图2所示。

图2 焊道分布

焊接过程操作要点：①镍基焊丝打底焊时，注意熄弧部位的控制，熄弧需饱满，防止出现弧坑裂纹。②焊接过程中不得对焊件施加较大的约束力，否则容易产生焊接拘束力。③焊接时选用小的焊接参数，降低焊接热输入。④焊接过程中每完成一道次焊接，要将焊道内的药皮等杂质清除干净，在每次焊接的过程中，可稍微敲打焊接热影响区和焊缝，以减少焊接残余应力。

5 试验结果分析

5.1 无损检测

焊接完成后对焊缝进行渗透检测、射线检测，结果见表9。

表9 无损检测结果

5.2 力学性能试验

按照ASME标准对焊接接头进行拉伸试验，采用锯床和线切割在焊接试板上截取4个拉伸试样，考虑试板厚度及试验机规格，取样位置在t/2处（t为试板厚度）。根据ASME标准要求常温拉伸试验抗拉强度不低于760MPa。拉伸试验结果见表10，拉伸试样如图3所示。

图3 拉伸试样

表10 拉伸试验结果

对试样进行弯曲试验，由于采用镍基焊接材料进行马氏体不锈钢的焊接，焊缝及母材在性能上存在差异，所以为保证试验结果更符合要求，根据ASME标准对试板进行纵向面/背弯试验。试验标准符合ASME第Ⅸ卷要求，弯曲试验结果见表11，面弯试样如图4所示，背弯试样如图5所示。

表11 弯曲试验结果

图4 面弯试样

图5 背弯试样

在焊接试板焊缝区和热影响区各取冲击试样3件。对冲击试样进行性能测试，检测标准符合ASME第II卷A篇SA-370要求。冲击试验结果见表12，冲击试样如图6所示。

图6 冲击试样

表12 冲击试验结果

为了测试焊接方法对焊缝区、热影响区及母材的影响，对焊接试板进行硬度试验。试验采用维氏硬度，检测标准符合ASME第II卷A篇SA-370要求。试验结果见表13，硬度试样如图7所示。图7 硬度试样

表13 硬度试验结果

6 结束语

通过对CA6NM型马氏体不锈钢焊接工艺的研究，在焊接过程中严格控制焊接热输入、预热、层间温度，并采用多层多道焊的方式进行焊接，在不进行焊后热处理的情况下，即可得到力学性能良好的焊缝，满足现场工作要求。另外，由于同时减少了焊后热处理的操作工序，因此在提高保证施工安全的同时提高了工作效率和施工进度。该研究为核电现场检维修过程中的马氏体不锈钢焊接提供了参考和借鉴，具有一定的推广应用价值。