落錘試樣裂紋源焊道焊接工藝試驗研究

任國松，包士梅，王新娟

哈電集團（秦皇島）重型裝備有限公司 河北秦皇島 066206

1 序言

落錘試驗方法最初是美國海軍研究所（NRL）W. S. Pellini和P. P. Puzak等人首創的，用來研究具有溫度轉變行為的鐵素體結構鋼抗脆性斷裂性能的一種工程試驗方法。通過該試驗可以獲得材料在含有微小尖銳裂紋和動態屈服加載條件下發生脆性斷裂的最高溫度，而這一溫度稱為無塑性轉變溫度（Nil-ductility transition temperature，NDTT）[1-2]，是工程上廣泛應用的一種動態轉變溫度指標。

核電站主回路各部件都要求有較高的抗脆性性能，以保證受核輻射時不產生脆斷，提高安全性，隨著國產核電材料的開發，NDTT的準確測定就顯得更為重要。目前，我國在按照RCC-M參數和ASME參數設計核電站主回路設備時，均要求按ASTM E208標準進行落錘試驗，以測定無塑性轉變溫度NDTT。

NDTT是進行彈塑性力學評價的重要指標參數，對核電主回路壓力邊界部件的評價起重要作用。因此，本文研究了ASTM E208標準中落錘試樣堆焊焊道的焊接工藝，并在此基礎上比較不同焊接工藝對落錘試驗結果的影響。

2 試驗材料及方法

2.1 試驗材料

試驗用材料為某核電項目壓力邊界用材料，材料牌號：SA-508 Gr.3Cl.1，交貨狀態為調質態，主要化學成分見表1。

表1 化學成分（質量分數） (%)

2.2 試樣制備

落錘試樣焊接工藝見表2，其中參數1是ASTM E208標準第7.7條中明確規定可采用的裂紋源焊道焊接工藝，是目前國內大多廠家普遍采用的工藝；參數2為擬進行評定的一種低電流裂紋源焊道焊接工藝。A、C組落錘試樣按參數1焊接，B、D組落錘試樣按參數2焊接。

表2 落錘試樣焊接工藝

3 試驗結果

3.1 拉伸試驗

為確定落錘沖擊能量，進行了室溫拉伸試驗，試驗結果見表3，按照ASTM E208表1確定了落錘沖擊能量為400J。

表3 拉伸試驗結果

3.2 A組落錘試驗

用A組落錘試樣測定了材料的NDTT，結果見表4，A組試樣實測材料的NDTT溫度為-12℃。

表4 落錘試驗結果

3.3 焊接參數2評定試驗結果

按照ASTM E208第7.10.3節要求：“可以采用不同于7.7節的焊接工藝，該工藝需經過評定，即在材料實際的NDTT溫度以上至少55℃進行3個試樣的落錘試驗，如裂紋源焊道開裂，則該工藝可以用于落錘試驗用試樣焊接?！?/p>

根據此規定選取B組3個落錘試樣在-12℃+55℃=43℃的溫度下進行落錘試驗，經觀測3個試樣的裂紋源全部開裂，結果見表4，試驗后的試樣如圖1所示，裂紋源焊道局部放大照片如圖2所示。即經過評定，參數2的低焊接電流工藝是可以用于落錘試驗裂紋源焊道對焊的。

圖1 B組評定焊接參數2落錘試樣

3.4 B組落錘試驗

用B組落錘試樣測定材料的NDTT溫度，結果見表5，采用B組落錘試樣測得材料的NDTT溫度為-17℃。

表5 B組落錘試驗

圖2 裂紋源焊道局部放大照片

3.5 C組和D組落錘試驗

考慮到落錘試樣的因素，測定了兩種不同參數的焊接工藝對P-3落錘試樣測量結果的影響。

用C組和D組落錘試樣測定材料的NDTT溫度，結果見表6，采用C組落錘試樣測得材料的NDTT溫度為-17℃，采用D組落錘試樣測得材料的NDTT溫度為-22℃。

表6 C和D組落錘試驗

4 試驗結果的分析及討論

通過對焊接參數2進行試驗評定，可以看出它是滿足ASTM E208第7.10.3節關于評定落錘試樣裂紋源焊道焊接工藝的要求。對不同焊接工藝和不同試樣形式的落錘試驗結果詳見表7。

表7 不同參數落錘試驗結果統計

選取使用參數1電流堆焊的D24試樣（見圖3）和參數2電流堆焊的D26試樣（見圖4）進行金相組織觀察和晶粒度評定。從顯微組織觀察，發現兩個試樣的焊道顯微組織及晶粒度基本都一樣，只是熱影響區的組織和晶粒度稍有差異。鋼的韌性由裂紋源焊道焊接過程中產生的熱影響區的微觀組織決定。圖3和圖4試樣熱影響區的組織都為回火索氏體+貝氏體，圖4試樣熱影響區中的貝氏體多于圖3試樣熱影響區，圖4試樣熱影響區的晶粒度也比圖3試樣熱影響區的晶粒尺寸小一些?；鼗鹚魇象w有很強的低溫脆性，回火索氏體含量越多，材料越脆越易斷裂。而在脆性斷裂中，材料的晶粒度越大，其脆性轉變溫度越高。這些都是圖3試樣測出的斷裂溫度比圖4試樣測出的斷裂溫度高5℃的主要原因。

圖3 用參數1電流堆焊試樣各區顯微組織

圖4 用參數2電流堆焊試樣各區顯微組織

5 結束語

1）經過試驗，焊接電流為160～170A的焊接工藝符合ASTM E208第7.10.3節關于評定裂紋源焊道焊接工藝的要求，可用于落錘試樣制備。

2）兩種工藝焊接電流相差約20A，對于SA-508 Gr.3Cl.1材料，相對于ASTM E208標準推薦的焊接工藝，采用小電流焊接工藝制備的落錘試樣所測定的材料NDTT溫度低5℃。

3）其他核電材料NDTT溫度測定如采用不同于ASTM E208第7.7節的焊接工藝焊接落錘試樣，必須經過試驗評定。