CN104722954B

CN104722954B - 一种核级强辐照区用埋弧自动焊接用焊丝

Info

Publication number: CN104722954B
Application number: CN201510129340.9A
Authority: CN
Inventors: 张秀海; 余燕; 赵云志; 高蕊; 马志宝; 张帆; 刘学利; 王富铭
Original assignee: Tianjin Heavy Equipment Engineering Research Co Ltd; China First Heavy Industries Co Ltd
Current assignee: Tianjin Heavy Equipment Engineering Research Co Ltd; China First Heavy Industries Co Ltd
Priority date: 2015-03-24
Filing date: 2015-03-24
Publication date: 2016-10-19
Anticipated expiration: 2035-03-24
Also published as: CN104722954A

Abstract

本发明涉及一种核级设备强辐照区用高强度、高韧性埋弧自动焊焊丝。其化学成分为以wt％记：C 0.10～0.15、Mn 1.70～2.20、Si≤0.20、P≤0.010、S≤0.010、Mo 0.45～0.65、Ni 0.60～0.80、Cr≤0.10、Cu≤0.020、Co≤0.020、B≤0.0005、Nb≤0.010、As≤0.005、Sn≤0.005，余量为Fe及不可避免杂质。本发明焊丝匹配碱度为2.5～3.5的高碱度、低氢型焊剂可获得满足三代核电设备及其它核电设备制造中SA‑508Gr.3Cl.1低合金钢的焊缝性能要求。

Description

一种核级强辐照区用埋弧自动焊接用焊丝

技术领域

本发明涉及核电焊接材料技术领域，尤其涉及一种核级设备强辐照区用高强度、高韧性埋弧自动焊焊丝。

背景技术

随着能源需求的持续增长，能源问题也成为制约我国经济、社会和环境发展的一个瓶颈，综合考虑环境等各种因素，在国家2015年重点工作部署中，核电重启赫然在列，按照核电设备制造发展趋势，核电在我国必将迎来一个批量化发展和技术更新换代并举的新阶段，新一轮的核电建设高潮正在掀起。

经过30多年的核电发展，中国的核电制造系统已经比较完备。第三代核电技术吸取了世界上二代核电技术一万余堆年的运行经验，充分使用几十年来的科技进步成果，全面完成自主设计创新，开发具有中国自主知识产权的大型先进压水堆核电技术，并在2017年建成示范机组。

在核电设备的制造和安装中，焊接是一个最基本和最重要的手段。本发明用于三代核电站设备SA-508GR.3CL.1(16MND5)钢强辐照区焊缝的焊接，如反应堆压力容器、堆芯补水箱等主设备的制造，对于焊缝强度和低温冲击韧性要求都很高，其中堆芯区焊缝的RT_NDT温度要求不高于-30℃。

至今为止我国已建和在建的核电站主设备(包括二代加和AP1000)，其制造和安装过程中的焊接材料，无论是低合金钢、奥氏体钢，还是镍基合金几乎都是从国外进口。不仅焊接材料的成本和周期难以控制，供货进度、价格及后期技术培训及技术服务等方面受制于人，存在因政治原因而被封锁的风险，而且由于核电的大规模发展，造成核电用焊接材料供不应求，导致国外焊接材料供货质量日趋下降。目前焊接材料已经成为我国核电发展的瓶颈，制约我国核电的发展。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种核一级设备强辐照区用高强度、高韧性埋弧自动焊焊丝，用以解决现有焊丝依赖进口，成本高、周期难以控制的问题。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

本发明是在基于三代核电设备制造技术要求的基础上进行研究发明，公布一种埋弧焊焊丝的化学成分，其化学成分以wt％记：C 0.10～0.15、Mn 1.70～2.20、Si≤0.20、P≤0.005、S≤0.005、Mo 0.45～0.65、Ni 0.60～0.80、Cr≤0.10、Cu≤0.020、Co≤0.020、B≤0.0005、Nb≤0.010、As≤0.005、Sn≤0.005，余量为Fe及不可避免杂质。按照此设计获得的焊丝，匹配碱度为2.5～3.5的高碱度、低氢型焊剂(中国一重研发核电专利焊剂牌号为TYF-13HR)可获得满足三代核电设备及其它核电设备制造中SA-508Gr.3Cl.1低合金钢的焊缝性能要求。

特别地，所述埋弧焊焊丝匹配碱度为2.5～3.5的低氢型焊剂。

特别地，所述低氢型焊剂牌号为TYF-13HR。

特别地，所述埋弧焊焊丝用于核电设备强辐照区构件制造中SA-508Gr.3Cl.1低合金钢的焊接。

特别地，焊接坡口角度α＝15°，试板壁厚25mm，根部间隙为16mm；焊接电流为480～600A，焊接电压为26～34V，焊接速度为360mm/min,层间温度150℃～250℃。

特别地，所述埋弧焊丝匹配碱度为2.5～3.5的低氢型焊剂获得焊缝熔敷金属，其化学成分以重量百分比计：C≤0.15、Mn：1.25～2.10、Si≤0.80、P≤0.010、S≤0.010、Mo：0.45～0.65、Cu≤0.06、Ni：0.40～0.80、Co≤0.02，余量为Fe及不可避免杂质。

特别地，所述焊缝熔敷金属在焊态和经过在610℃、保温40小时焊后热处理态都能获得较佳的强韧匹配性能，性能具体为室温抗拉强度550～725MPa，屈服强度≥345MPa，-30℃冲击功在100J以上。

本发明中关键技术在于进行了Mn-Ni-Mo合金系统中Mn、Ni合金元素的优化，在碳含量一定时，元素Mn不仅可以提高强度，还可以改善韧性，但元素Mn含量超过一定值则会造成韧性下降，本发明中，通过合理匹配元素Ni含量，在焊缝中形成韧化的铁素体基体组织，在保证焊缝较高强度的同时，获得良好的韧性。

本发明焊丝成分设计依据

C：是钢中的强度保证元素，当碳含量低于0.02％时，焊缝强度明显下降，不能满足要求，但C含量过高，会形成脆化的淬硬组织，导致焊缝韧性下降，焊缝保证强度的同时，获得最佳韧性的焊丝C含量为0.10～0.15％。

Mn：是提高强度最有效的元素之一，较高的Mn含量会显著降低相变温度，从而促进贝氏体转变，以提高焊缝强度，同时Mn也是有效的扩大奥氏体区的元素，与Ni共同作用会促进形成韧化的铁素体基体组织，降低韧脆转变温度。但Mn含量不易过高，否则容易产生大尺寸的MnS夹杂，且焊缝易形成淬硬组织，导致焊缝韧性下降，因此焊缝获得最佳强韧组合的焊丝Mn含量为1.70～2.20％。

Ni：在焊缝中能够韧化金属基体，提高对疲劳的抗力和减少对缺口的敏感性，降低材料的韧脆转变温度，明显提高低温韧性，因此本发明中控制焊丝Ni含量为0.60～0.80％。

Si：一方面具有脱氧作用，另一方面还可以增加焊缝金属的强度；但过多加入会导致低温冲击韧性降低，以及抗裂性能的降低；因此，本发明焊丝Si含量控制在0.20％以下。

Mo：是焊缝高温强度保证元素，能与C结合形成碳化物使焊缝金属具有高温机械强度特性，Mo含量过高，会造成焊缝金属韧性的降低，因此本发明中焊丝Mo为0.45～0.65％。

Cu、Co、B：这几种元素达到一定量均会使焊缝金属产生辐照脆化，必须加以控制，因此本发明中焊丝中Cu、Co含量控制在0.020％以下B含量控制在0.0005以下。

P、S、As、Sn、：为杂质元素，在焊缝金属中，会在晶界处分离并使他们变脆，必须严格控制，本发明中焊丝P含量控制在0.010％以下，焊丝S含量控制在0.010％以下，As、Sn含量控制在0.005％以下。

本发明有益效果如下：

1、本发明埋弧焊焊丝匹配碱度为2.5～3.5的低氢型焊剂可用于三代核电及其他核电设备强辐照区构件制造及其它核电设备制造中SA-508Gr.3Cl.1低合金钢的焊接。

2、本发明中焊丝匹配碱度为2.5～3.5的低氢型焊剂获得焊缝熔敷金属，其化学成分以重量百分比计：C≤0.15、Mn 1.25～2.10、Si≤0.80、P≤0.010、S≤0.010、Mo 0.45～0.65、Cu≤0.06、Ni 0.40～0.80、Co≤0.02，余量为Fe及不可避免杂质，该焊缝熔敷金属在焊态和经过在610℃、保温40小时焊后热处理态都能获得较佳的强韧匹配性能，性能具体为室温抗拉强度550～725MPa，屈服强度≥345MPa，-30℃冲击功在100J以上。

3、本发明埋弧焊焊丝针对核电工业应用，对于第三代核电技术国产化项目具有重要意义，本项目是“大型先进压水堆核电站重大专项”科研课题的一项，满足“核电设备用焊接材料”核一级低合金钢焊条的技术条件。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分的从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为焊接试板坡口组装示意图

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理。

本发明是在基于三代核电设备制造技术要求的基础上进行研究发明，公布一种埋弧焊焊丝的化学成分，其化学成分以wt％记：C 0.10～0.15、Mn 1.70～2.20、Si≤0.20、P≤0.010、S≤0.010、Mo 0.45～0.65、Ni 0.60～0.80、Cr≤0.10、Cu≤0.020、Co≤0.020、B≤0.0005、As≤0.005、Sn≤0.005、，余量为Fe及不可避免杂质。根据本发明中焊丝化学成分，炼制两批次焊丝钢，其化学成分见表1，经退火拔制为φ4的埋弧焊焊丝。

焊接试板组装方式如图1所示，图1中焊接坡口角度α＝15°，试板壁厚25mm，根部间隙为16mm。焊接规范：焊接电流为480～600A，焊接电压为26～34V，焊接速度为360mm/min,层间温度150℃～250℃。焊后进行消氢与回火热处理，检测焊缝力学性能，表2为试板熔敷金属各项力学性能。

表1实施例焊丝化学成分分

表2实施例焊缝金属性能

其中实施例1试板进行了落锤试验，焊态T_NDT＝-55℃,热处理态T_NDT＝-65℃，完全满足“核电设备用焊接材料”技术条件T_NDT≤-30℃的要求。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种埋弧焊焊丝，其特征在于：其化学成分以wt％记为：

C：0.10～0.15、

Mn：1.70～2.01、

Si：0.12～0.14、

P≤0.010、

S≤0.010、

Mo：0.55～0.65、

Ni：0.65～0.76、

Cr：0.054～0.072、

Cu：0.016～0.020、

Co＜0.01、

B＜0.0003、

As≤0.005、

Sn≤0.005，

余量为Fe及不可避免杂质。

2.根据权利要求1所述的埋弧焊焊丝，其特征在于：所述埋弧焊焊丝匹配碱度为2.5～3.5的低氢型焊剂。

3.根据权利要求2所述的埋弧焊焊丝，其特征在于：所述低氢型焊剂牌号为TYF-13HR。

4.根据权利要求1所述的埋弧焊焊丝，其特征在于：所述埋弧焊焊丝用于核电设备强辐照区构件制造中SA-508Gr.3Cl.1低合金钢的焊接。

5.根据权利要求1所述的埋弧焊焊丝，其特征在于：焊接坡口角度α＝15°，试板壁厚25mm，根部间隙为16mm；焊接电流为480～600A，焊接电压为26～34V，焊接速度为360mm/min,层间温度150℃～250℃。

6.根据权利要求2或3所述的埋弧焊焊丝，其特征在于：所述埋弧焊丝匹配碱度为2.5～3.5的低氢型焊剂获得焊缝熔敷金属，其化学成分以重量百分比计：C≤0.15、Mn：1.25～2.10、Si≤0.80、P≤0.010、S≤0.010、Mo：0.45～0.65、Cu≤0.06、Ni：0.40～0.80、Co≤0.02，余量为Fe及不可避免杂质。

7.根据权利要求6所述的埋弧焊焊丝，其特征在于：所述焊缝熔敷金属在焊态和经过在610℃、保温40小时焊后热处理态都能获得较佳的强韧匹配性能，性能具体为室温抗拉强度550～725MPa，屈服强度≥345MPa，-30℃冲击功在100J以上。