ASTMSA508-Gr.3-Cl.1/CI.2核电用钢SA508-Grade3-Class1高强度

1技术要求与试验方法

1.1技術要求

SA508Gr.3Cl.2钢配套焊接材料，要求对焊丝及熔敷金属的S，P等有害元素含量进行了严格控制，其化学成分要求见表1。且有研究表明＼[10＼]，A5083钢在热处理608℃×24h时，熔敷金属具有良好的综合力学性能。熔敷金属力学性能要求见表2。落锤试验要求：TNDT≤-10℃，结果不断裂。弯曲试验：取2个侧弯试样，弯曲直径：D=4T，弯曲角度：180°，弯曲后拉伸面上不允许出现任何明显的开裂，单个裂纹、表面气孔和夹渣的长度均不应大于3mm。熔敷金属扩散氢含量不大于4mL/100g（水银法）。

1.2试验方法

焊接试验方法，采用埋弧自动焊多层多道进行，焊接设备为交直流两用电焊机（MillerSummitArc1250）。母材为SA508Gr.3Cl.2钢板，试板尺寸为600mm×300mm×30mm。对接坡口形式如图1所示，焊接工艺参数见表3。

按照GB/T223《钢铁及合金化学分析方法》进行化学分析。室温拉伸试验按GB/T2652—2018《焊缝及熔敷金属拉伸试验方法》进行，高温拉伸试验按GB/T228.2—2015《金属材料拉神试验第2部分：高温拉伸试验》进行，试样尺寸为10mm。冲击试验按GB/T2650—2008《焊接接头冲击试验方法》进行。弯曲试验按GB/T2653—2008《焊接接头弯曲试验方法》进行。落锤试验按NB/T20004—2014《核电厂核岛机械设备材料理化检验方法》进行，试样采用P3型进行试验。熔敷金属扩散氢含量测定按GB/T3965—2012《熔敷金属扩散氢测定方法》的规定进行。

2焊接材料的研制

2.1焊剂的研制

由于是核一级设备用焊材，因此需严格控制焊缝金属中硫、磷等有害元素的含量。因此，在焊剂研制的过程中，必须选用纯净度较高的原料;在焊剂生产的过程中，必须严格控制生产工序，尽量减少进入有害元素。与此同时焊剂需要具有优良的脱渣性，焊缝摊开性和良好的成形。焊剂在冶金反应时，形成氧化性弱的碱性渣或中性渣，以减少合金元素的烧损，并保证焊缝金属具有较高的塑性和韧性。

焊剂的渣系一般有硅钙型、硅锰型、铝钛型、高铝型和氟碱型等。其中，硅钙型、硅锰型和铝钛型渣系焊剂中含有大量的酸性氧化物，故被称之为酸性焊剂，其特点是：工艺性能较好，但熔敷金属的低温韧性比较差;高铝型渣系焊剂又被称之为中性焊剂，其提高焊缝金属低温冲击韧性的潜力也不大;而氟碱型渣系焊剂由于其含有大量的碱性氧化物，故被称之为碱性焊剂，其特点是：焊剂具有较高的碱度，其碱性氧化物可以与熔敷金属中的杂质元素产生反应，从而减少杂质元素的含量，提高其低温冲击韧性。与此同时还能降低焊缝金属中的扩散氢含量，从而降低焊缝出现冷裂纹的倾向。因此，选择CaF2CaOMgOMnOSiO2氟碱型渣系作为所研制焊剂的渣系。

渣系确定之后，就是对焊剂组分的优化及调整了。首先将焊剂的组分在一个比较大的范围内进行调整，找出各个组分之间的相互影响规律，确定焊剂小样的组分范围。之后对现有的焊剂小样进行对比优化，最终选出一个优化后的焊剂组分。|NM400|通过选择高纯净度原材料按焊剂配方进行高温烧结生产，研制出了高纯净度高碱度低氢型烧结焊剂。将其牌号定为SJ16HR，其碱度约为2.4，为圆形颗粒状，粒度为0.28～2.0mm。其组分范围见表4。

2.2焊丝的研制

核电站核岛承压设备一般由MnMoNi系低合金钢锻件或钢板焊接而成。它工作在高温、高压环境中，而且其工作年限较长。设计容器主焊缝埋弧焊焊丝成分时要考虑主焊缝的无塑性转变温度、辐照敏感性、低周疲劳性能以及断裂韧性等。此外对研制的焊丝主要要求如下：①焊丝的杂质元素严格控制，即焊丝的纯净度要求非常高;②熔敷金属的强韧性匹配良好。

为了能够实现以上要求，使得熔敷金属能够具有高纯度，且同时具有高强度和高韧性的组织性能。提出试验焊丝的研制思路如下①使用真空冶炼炉进行焊丝冶炼，使得焊丝中的硫磷等杂质元素尽量减少，且由于避免了与空气直接接触，减少了焊丝中的氧氮元素含量，为获取高纯净度的熔敷金属提供必要保障;②考虑通过添加一定量的微合金元素来细化晶粒，以此来改善熔敷金属组织，以达到同时提高强度和韧性的目的。

经过大量的试验，进行了化学成分优化设计、冶炼试制、熔敷金属力学性能试验验证，最终确定并冶炼了高纯埋弧焊焊丝成品。将其牌号定为H09MnNiMoHR，主要成分见表5。

3试验结果及分析

3.1焊丝、焊剂及熔敷金属成分及焊接工艺性

焊丝H09MnNiMoHR，规格4.0mm，其化学成分见表5。焊剂SJ16HR，其S含量为0.018%，P含量为0.020%。熔敷金属的化学成分见表6。

图2为H09MnNiMoHR/SJ16HR焊接试验时的焊接工艺性现场照片。焊接工艺性能良好，在焊接过程中电弧稳定性好，焊道成形美观，脱渣容易，焊缝表面无粘渣、气孔、压坑等缺陷。

3.2熔敷金属力学性能

H09MnNiMoHR/SJ16HR进行热处理608℃×24h后的熔敷金属力学性能检验结果见表7。其他试验：侧弯结果合格，表面无开裂，结果如图3所示;落锤试验满足TNDT≤-10℃，-10℃落锤试验试样未断裂，如图4所示。结果表明，熔敷金属的常温拉伸和350℃拉伸性能、熔敷金属冲击韧性、侧向膨胀量及落锤试验均满足项目技术要求，并且富有充足的余量。

3.3熔敷金属扩散氢

熔敷金属扩散氢含量测定按GB/T3965—2012《熔敷金属扩散氢测定方法》的规定进行，其结果见表8。结果表明，熔敷金属扩散氢含量平均为3.0mL/100g（水银法），满足标准要求。

3.4金相显微组织

熔敷金属显微组织如图5所示。熔敷金属未见微观裂纹和其他微观缺陷，焊缝金相组织为少量先共析铁素体+针状铁素体+回火贝氏体，未见淬硬组织。

综上所述，研制的焊接材料H09MnNiMoHR/SJ16HR，按照技术要求完成了产品化学成分、产品力学性能（常温拉伸、高温拉伸、冲击、弯曲、落锤）、熔敷金属扩散氢及金相显微组织检验等试验，所有试验结果均满足核一级设备的技术指标，并且富有充足的余量。

4应用情况

新研制的埋弧焊焊接材料H09MnNiMoHR/SJ16HR已经通过了该核一级设备焊材研制评审会，并且在国内某企业进行了第三方性能评估试验，结果均满足要求。目前该产品已被应用到国内某企业生产的核电一级设备蒸汽发生器上，产品稳定且服役状况良好，得到了用户的好评。