CN105014201A - 压水堆核级铸件异种材料补焊方法 - Google Patents

压水堆核级铸件异种材料补焊方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种压水堆核级铸件异种材料补焊方法，该方法是以镍基合金材料为焊接材料，通过手工电弧焊或钨极氩弧焊对基体材料Z5CND13-04M铸件进行补焊；其中：所述镍基合金材料为ENiCrFe-3或ERNiCr-3；当焊接材料为ENiCrFe-3时：材料规格φ3.2mm，焊接电流80-125A，焊接电压≤33V，焊接速度≥229mm/min；当焊接材料为ERNiCr-3时：材料规格φ2.4mm，焊接电流≤200A，焊接电压≤25V，焊接速度≥127mm/min。本发明采用异种材料进行补焊，同时焊前预热、焊接过程中控制层间温度，以及焊后低温消除应力处理，补焊后工件各种性能指标满足标准要求。

Description

压水堆核级铸件异种材料补焊方法
技术领域
本发明涉及材料补焊工艺技术领域，具体涉及一种压水堆核级铸件异种材料补焊方法，用于对压水堆核岛非承压边界部件采用RCC-M标准材料Z5CND13-04M铸件精加工后出现超标缺陷的补焊。
背景技术
压水堆核二、三级泵叶轮、吸入段等部件采用的是RCC-M标准材料：马氏体不锈钢Z5CND13-04M铸件，在铸造及加工过程中不可避免地会出现缺陷，需要补焊，补焊必须按RCC-M标准进行工艺评定，工艺评定合格后方可进行焊接。在精加工时出现缺陷，用同材质补焊存在热处理及焊接变形的问题，另外叶轮口环已经激光淬火，再进行热处理导致激光淬火失效，存在报废风险。
发明内容
针对现有技术中存在的不足之处，本发明的目的在于提供一种压水堆核级铸件异种材料补焊方法，该方法能有效解决铸件精加工后缺陷修复的问题。
本发明技术方案如下：
一种压水堆核级铸件异种材料补焊方法，该方法是以镍基合金材料为焊接材料，通过手工电弧焊或钨极氩弧焊对基体材料Z5CND13-04M铸件进行补焊；其中：所述镍基合金材料为ENiCrFe-3或ERNiCr-3；焊接工艺参数如下：
当焊接材料为ENiCrFe-3时：材料规格φ3.2mm，焊接电流80－125A，焊接电压≤33V，焊接速度≥229mm/min。
当焊接材料为ERNiCr-3时：材料规格φ2.4mm，焊接电流≤200A，焊接电压≤25V，焊接速度≥127mm/min。
焊接之前，由于两种材料物理性能、力学性能相差非常大，所以确定焊前预热温度不低于205℃，第一层焊接时每道之间温度不大于260℃，另外为防止产生热裂纹及晶间腐蚀，其余层焊接时采取控制层间温度不大于150℃。焊后低温消除应力(300℃±10℃)处理方法。
本发明所产生的有益效果及优点如下：
1、本发明采用异种材料(镍基合金)进行补焊，同时进行焊前预热、焊接过程中控制层间温度，以及焊后低温消除应力处理，补焊后工件各种性能指标满足标准要求。
2、本发明应用于核电产品执行RCC-M标准制造的同类型马氏体不锈钢Z5CND13-04的缺陷修复。
附图说明
图1为对比例1中选择试件材料结构形式。
图2为对比例1中补焊后样品宏观形貌图；图中：(a)为补焊样品宏观形貌图；(b)为补焊区局部放大图。
图3为对比例1中1#发生断裂的样品的补焊区局部放大图；图中：(a)和(b)分别为样品不同部位处的局部放大图。
图4为对比例1中2#样品补焊区局部放大图；图中：(a)补焊区与基体的界面处；(b)补焊区。
图5为对比例1中3#样品补焊区局部放大图；图中：(a)补焊区与基体的界面处；(b)补焊区。
图6为对比例1显微硬度测量取样位置及测量取点示意图；图中：(a)取样位置；(b)测量取点。
图7为对比例1中三种样品补焊区显微硬度测量结果。
图8为实施例1试样硬度测试示意图。
图9为实施例1试样宏观金相检验；其中，(a)为手工电弧焊；(b)为钨极氩弧焊。
图10为实施例1中手工电弧焊样品200倍微观金相检验图；图中，(a)母材；(b)热影响区；(c)为焊缝。
图11为实施例1中钨极氩弧焊样品200倍微观金相检验图；图中，(a)母材；(b)热影响区；(c)为焊缝。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步详述。
本发明是以镍基合金材料为焊接材料，通过手工电弧焊或钨极氩弧焊对基体材料Z5CND13-04M铸件进行补焊；其中：所述镍基合金材料为ENiCrFe-3或ERNiCr-3；焊接工艺参数如下：
当焊接材料为ENiCrFe-3时：材料规格φ3.2mm，焊接电流80－125A，焊接电压≤33V，焊接速度≥229mm/min。
当焊接材料为ERNiCr-3时：材料规格φ2.4mm，焊接电流≤200A，焊接电压≤25V，焊接速度≥127mm/min。
焊接之前，由于两种材料物理性能、力学性能相差非常大，所以确定焊前预热温度不低于205℃，第一层焊接时每道之间温度不大于260℃，焊后低温消除应力300℃处理方法。另外为防止产生热裂纹及晶间腐蚀，其余层焊接时采取控制层间温度不大于150℃。
对比例1
本例为同材质补焊：
方案确定：按RCC-M标准要求，选择试件材料与产品相同，结构形式如图1所示：
工艺方法：采取手工电弧焊方法：
焊接材料：E410NiMo-15
材料规格：φ3.2mm
焊接电流：85-115A
层间温度：不大于260℃
焊后保温缓冷，并依次进行150℃、400℃、590℃后热处理。
试验检验项目：弯曲试件一件、金相两件、硬度一件
试验结果：
(一)宏观观察
如图2(a)所示，是补焊后经过不同的温度的消应力处理经弯曲实验，有的样品发生断裂，有的样品未发生断裂；为了便于区分和标记，根据热处理温度的不同，将图2(a)中的三块料自上而下分别标记为1#，2#和3#样品，其中1#样品补焊后经150℃热处理，弯曲后发生断裂；2#样品补焊后经400℃热处理，3#样品补焊后经590℃热处理；2#和3#样品弯曲后均未发生断裂。图2(b)为3#样品补焊区及其周围基体的局部放大图。
采用Leica L6D体视学显微镜进一步观察不同样品补焊区。图3(a)-(b)为1#发生断裂的样品的补焊区局部放大图，在补焊区发现了较为明显的裂纹；最长的裂纹约有7-8厘米。
图4是2#样品补焊区局部放大图，在补焊区与基体的界面处(图4a)和补焊区(图4b)均发现了较为明显的裂纹；与1#样品相比，裂纹长度明显变短，最长裂纹约有1-3厘米。
图5是3#样品补焊区局部放大图，在补焊区与基体的界面处(图5a)和补焊区(图5b)也发现了较为明显的裂纹；但与1#和2#样品相比，裂纹最短。因而可以初步总结到，从1#，2#到3#样品，随消应力处理温度的升高，补焊区开裂的程度逐渐降低。
(二)显微硬度测量
在补焊区的中心，沿样品的厚度和长度方向取样，具体取样如图6(a)所示。将样品表面利用水砂纸打磨值2000#，机械抛光至1.5μm；利用HVS-5型显微维氏硬度计进行硬度测量，测量时的载荷取为1kg，保持时间为15s；在每个补焊区的中间开始测量，连续取三列，每列的间隔是2mm；从补焊区外侧开始测量，每列不同点之间的间隔是0.5mm，具体测量取点示意图如图6(b)所示。
图7是三种样品补焊区显微硬度具体测量结果。1,2#样品在表面补焊区的显微硬度值相差不大，约为400左右；与1#和2#样品相比较，3#样品的表面补焊区的显微硬度值最小，仅有300左右；因而相比之下，590℃的消应力处理效果显著；对补焊区进行150和400℃的消应力处理效果不明显；结合之前的表面裂纹观察(图3-5)，可以认为材料内部硬度过大是导致1#样品断裂，2#样品开裂较严重的主要原因。
从试验结果看，这种材料采取同材质补焊，焊后低温消除应力处理很难达到标准要求。
实施例1
本实施例为异种材料补焊，过程如下：
1)试件结构形式同对比例1。
2)焊接方法：采取两种方法：手工电弧焊、钨极氩弧焊。
3)焊接材料选择：选择适合异种材料焊接，且塑韧性及抗腐蚀性非常好的镍基合金材料，ENiCrFe-3和ERNiCr-3分别进行实验。
4)焊接工艺参数如下表1：
表1
5)焊接过程控制：
由于两种材料物理性能、力学性能相差非常大，为防止产生热应力裂纹，所以确定焊前最少预热205℃，第一层控制每道间温度不大于260℃，焊后低温消除应力300℃处理方法。另外为防止产生热裂纹及晶间腐蚀，其余各层采取控制层间温度不大于150℃。
6)试验检验项目确定：
依据RCC-M标准，确定检验项目如下：
－面弯试样一件；
－硬度试样一件；
－宏观金相一件；
－微观试样一件。
7)试验结果：
面弯试验:按RCC-M标准SI200弯曲180°无任何缺陷产生。
硬度试验：测试示意图如图8所示。手工电弧焊硬度测量值分别为：
母材区域HV10：
左侧：从左到右分别为：285，285，274，279，284，285，289，285，285。
右侧：从左到右分别为：285，285，285，285，285，287，287，285，285，287。
热影响区域HV10：
左侧：从左到右分别为：330，330，327，322，339，339。
右侧：从左到右分别为：360，366，366，366，366。
焊缝区域：从左到右分别为：233，236，210，207，207，218，218，219，219，221，221，219，218，218，218，228，225，221，218，221，221，221，218，218，218，218，221，221，221，221，221，230，212，212，219，219，212，199，198，201。
钨极氩弧焊硬度测量值分别为：
母材区域HV10：
左侧：从左到右分别为：276，285，285，279，285，279，264，264，294。
右侧：从左到右分别为：274，274，274，274，274，274，279，281，276，285。
热影响区域HV10：
左侧：从左到右分别为：322，348，348，348，330，330。
右侧：从左到右分别为：348，339，354，354，319。
焊缝区域：从左到右分别为：200，210，206，206，206，206，215，215，213，213，213，210，210，210，213，213，213，215，215，215，215，213，213，213，213，213，215，212，213，213，213，213，212，206，207，207，207，212，205，205。50μm
硬度试验中：手工电弧焊方法时：母材平均值：HV10：284；热影响区平均值：HV10：346；焊缝平均值：HV10：217。
钨极氩弧焊方法时：母材平均值：HV10：277；热影响区平均值：HV10：340；焊缝平均值：HV10：210。
宏观金相检验如图9所示，其中，图9(a)为手工电弧焊，图9(b)为钨极氩弧焊。母材、热影响区和焊缝200倍微观金相检验如图10-11所示，其中，图10(a)-(c)为手工电弧焊，图11(a)-(c)为钨极氩弧焊。
从本实施例试验结果看，采用异种材料(镍基合金)进行补焊，焊前预热，焊接过程中控制层间温度，焊后低温消除应力处理，各种性能指标满足标准要求。

Claims (5)

1.一种压水堆核级铸件异种材料补焊方法，其特征在于：该方法是以镍基合金材料为焊接材料，通过手工电弧焊或钨极氩弧焊对基体材料Z5CND13-04M铸件进行补焊；其中：所述镍基合金材料为ENiCrFe-3或ERNiCr-3；焊接工艺参数如下：
当焊接材料为ENiCrFe-3时：材料规格φ3.2mm，焊接电流80-125A，焊接电压≤33V，焊接速度≥229mm/min；
当焊接材料为ERNiCr-3时：材料规格φ2.4mm，焊接电流≤200A，焊接电压≤25V，焊接速度≥127mm/min。
2.根据权利要求1所述的压水堆核级铸件异种材料补焊方法，其特征在于：所述压水堆核级铸件为压水堆核级叶轮或吸入段部件。
3.根据权利要求1所述的压水堆核级铸件异种材料补焊方法，其特征在于：焊接之前进行预热，预热温度不低于205℃。
4.根据权利要求1所述的压水堆核级铸件异种材料补焊方法，其特征在于：焊接过程中，第一层控制每道间温度不大于260℃，以防止由于两种材料线膨胀系数不同而产生的热应力裂纹；其余层焊接控制层间温度不大于150℃，以防止产生热裂纹及晶间腐蚀。
5.根据权利要求1所述的压水堆核级铸件异种材料补焊方法，其特征在于：焊后低温消除应力，温度为300℃±10℃。
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