【摘要】：核電蒸汽發(fā)生器使用SA508Gr.3Cl.2大厚度鍛件作為殼體材料,開發(fā)高效和高質(zhì)量的厚板焊接技術(shù)是保證核電蒸汽發(fā)生器運(yùn)行安全性的關(guān)鍵因素之一。本文主要對(duì)SA508Gr.3Cl.2核電用鋼進(jìn)行了超窄間隙激光填絲焊的試驗(yàn)研究。首先研究了焊接工藝措施對(duì)激光填絲焊縫的氣孔缺陷和焊縫成形的影響規(guī)律。然后進(jìn)行了焊接裂紋傾向的研究,分析了裂紋的類型和形成機(jī)理。最后研究了50 mm厚焊接接頭焊后熱處理態(tài)的微觀組織和力學(xué)性能特征。在氣孔傾向試驗(yàn)中主要研究了焊接工藝措施對(duì)氣孔率的影響規(guī)律。結(jié)果表明焊道數(shù)對(duì)氣孔率的影響最為顯著,當(dāng)焊道數(shù)從6.72減小到5.07時(shí),氣孔率增加了8倍左右,在本試驗(yàn)中取送絲速度為2.0m/min,激光功率為4.3 kW時(shí)可有效抑制氣孔缺陷。氣孔率隨預(yù)熱溫度的增加、坡口角度的增加而減小,取預(yù)熱溫度為200℃,雙邊坡口角度為8°較為合適。核電用鋼超窄間隙激光填絲多層焊中出現(xiàn)的氣孔為激光匙孔不穩(wěn)定時(shí)所形成的工藝型氣孔。接著研究了焊接工藝措施對(duì)焊縫成形的影響規(guī)律。當(dāng)焊道數(shù)減小或坡口角度減小時(shí),焊縫堆高增大,焊縫熔深減小,側(cè)壁熔深基本保持不變。當(dāng)預(yù)熱溫度增加時(shí),焊縫熔深和側(cè)壁熔深都有所增加,可有效抑制未熔合缺陷的形成。然后在裂紋傾向試驗(yàn)中研究了焊接工藝參數(shù)對(duì)裂紋率的影響規(guī)律。裂紋率隨激光功率的增加,焊接速度的減小而變大,隨送絲速度的增加而變小。裂紋均處于焊縫表面,并且沿焊縫的中心線縱向開裂。在裂紋斷口起裂區(qū)出現(xiàn)了樹枝晶形貌等明顯的熱裂紋特征,在裂紋末端出現(xiàn)了一小部分由熱裂紋誘發(fā)的冷裂紋。為了有效抑制結(jié)晶裂紋,選擇激光功率為3.9~4.2 kW左右,焊接速度為0.42~0.48 m/min左右,送絲速度為3.0~3.5 m/min左右。最后進(jìn)行了50 mm厚SA508Gr.3Cl.2核電用鋼的超窄間隙激光填絲多層焊。中部填絲焊部位的焊縫中心組織主要為上貝氏體和竹葉狀下貝氏體,填絲焊焊縫母材側(cè)的HAZ粗晶區(qū)組織為粗大的高溫回火馬氏體。中部填絲焊焊縫母材側(cè)的HAZ粗晶區(qū)為接頭中部焊道硬度最高的位置,硬度達(dá)280 HV。焊接接頭常溫拉伸試驗(yàn)以及360℃高溫拉伸試驗(yàn)中,拉伸試樣的拉伸斷裂位置均位于焊縫以外,焊接接頭抗拉性能良好。焊接接頭的1/4T、1/2T、3/4T厚度方向三個(gè)位置的焊縫區(qū)沖擊功最小62 J,最大106 J,均低于母材,但焊縫處的沖擊試樣斷口仍具有一定的韌性斷裂特征。
【學(xué)位授予單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TM623
【圖文】：

材的強(qiáng)度和淬透性，還可以降低回火脆性并提高鋼的高溫性能[22]。由于材料技術(shù)的不斷發(fā)展，后面在這兩個(gè)鋼種的基礎(chǔ)上，加入 Ni 元素得到 A305-82 鋼，加入 Ni 元素和 Mo 元素得到 A336 鋼。A336 鋼在后來也被稱為 A508-2 鋼，Ni 元素的加入，能提高厚壁截面的淬透性，保證強(qiáng)度與韌性的良好配合。而 Mo 元素則主要用于降低回火脆性和提高鋼的耐熱性能。在二十世紀(jì) 70 年代，在進(jìn)行A508-2 鋼的堆焊過程中，發(fā)現(xiàn)了層下再熱裂紋。為了減小堆焊時(shí)的裂紋敏感性，降低裂紋傾向，在 A508-2 鋼中降低硬化元素 C、Cr 和 Mo 的含量，發(fā)展得到了A508-3 鋼，也就是本文所研究的核電大型鍛件 Mn-Mo-Ni 鋼[23]。在A508-3鋼中，由于 C、Cr 和 Mo 等元素含量的降低，導(dǎo)致強(qiáng)度和淬透性都有所降低，因此為了增加該鋼種的淬透性，將鋼中的 Mn 元素含量提高。另外，由于 Mn 元素含量的提高，會(huì)造成偏析現(xiàn)象，所以與此同時(shí)嚴(yán)格限制 P、S 元素的含量，防止此種現(xiàn)象的發(fā)生。當(dāng)前世界上與 A508-3 鋼成分相似的鋼種還有俄羅斯 15Kh2NMFA-鍛件，德國 20MnMoNi55 鍛件等[24]。SA508 核電用鋼的母材（BM）在光學(xué)顯微鏡和掃描電子顯微鏡下觀察的微觀組織如圖 1-1 所示[25]�？梢钥闯鰜碇饕苫鼗鹕县愂象w組織構(gòu)成。

508-3 美國 ASME 551/724 ≥345 ≥18 ≥38 - ≥285 6MND 法國 RCCM 550/670 ≥400 ≥20 - ≥497 ≥300 nMoNi55 德國 TuV ≥559 ≥392 ≥19 ≥45 ≥490 ≥314 FVV3 日本 JIS ≥549 ≥345 ≥18 ≥38 - - 508-3 中國 GB-T15 552/670 ≥400 ≥20 ≥45 ≥552 ≥300 h2NMFA 俄羅斯 OCT ≥620 ≥500 ≥15 ≥55 ≥550 ≥450 各核電壓力容器用鋼的性能比較如表 1-1 所示。另外，SA508Gr.3 核電冷卻轉(zhuǎn)變曲線圖（CCT 圖）如圖 1-2 所示[26]。當(dāng)冷卻速度不超過 0.5 ℃/s 共析出鐵素體，然后當(dāng)溫度降到 600 ℃以下時(shí)，還會(huì)生成貝氏體組織。速度在 1 ℃/s 到 5 ℃/s 之間的區(qū)間內(nèi)時(shí)，奧氏體組織將只生成貝氏體組貝氏體的溫度區(qū)間為 400 ℃到 600 ℃，當(dāng)冷卻速度超過 50 ℃/s 時(shí)，將氏體組織的形成，只會(huì)生成馬氏體組織。SA508Gr.3 核電用鋼的馬氏體溫度 Ms是 415 ℃，馬氏體轉(zhuǎn)變結(jié)束溫度 Mf是 235 ℃。當(dāng)冷卻速度變小下降，Mf上升。

這些焊接方法的熱輸入較大，焊縫以及熱影響區(qū)較寬，焊接變形和殘余應(yīng)大[27]。Veron 等人[14]使用埋弧焊多層焊的方法焊接了 140 mm 厚的 SA533 鋼508 鋼的板材，其焊接坡口寬度接近于 50 mm，且熱輸入量達(dá) 1.8 kJ/mm。能夠減少焊接道次數(shù)，窄間隙埋弧焊和 U 形焊接坡口形式應(yīng)用了起來。ZhDorn等人[15]使用窄間隙埋弧焊的方法焊接了厚度達(dá)179 mm的A508CL3-08CL3-B’核電壓力容器鋼板，其焊接坡口寬度只有 28 mm。與埋弧焊和窄間隙埋弧焊相比，電子束焊接的優(yōu)勢在于焊接速度快，熱輸小，殘余應(yīng)力和殘余變形較小，且填充材料消耗較少等。Hurrell 等人[28]使子束單道焊接的方法焊接了一塊 160 mm 厚的 SA508Gr.3Cl.1 鋼板結(jié)構(gòu)，焊熱影響區(qū)的總寬度約為 16-18 mm，其焊縫橫截面的宏觀形貌如圖 1-3 所示續(xù)進(jìn)行的焊后熱處理規(guī)程為在 607 ℃下保溫 3.5 小時(shí)，其焊后熱處理態(tài)的硬布如圖 1-4 所示，在焊縫不同厚度處，硬度分布明顯保持一致。焊縫和熱影的硬度在 260 HV 左右，母材在熱處理之后硬度掉至 200 HV 以下。但是，束厚板焊接的設(shè)備要求較高，試驗(yàn)成本昂貴，且因?yàn)閷?duì)真空條件的要求，電單道焊接的方法不宜用于厚板焊接工程，所以難以得到廣泛的應(yīng)用。

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2801088