田 云 ，張艷敏 ，王 芳，譚俊哲 ，楊顯冬，趙大為 ，趙 帥

（1.沈陽鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)核電泵業(yè)有限公司,遼寧沈陽 110869；2.沈陽透平機(jī)械股份有限公司,遼寧沈陽 110869）

核主泵是核反應(yīng)堆中唯一長期高速轉(zhuǎn)動的裝備，是核電站的“心臟”[1]，由泵殼、葉輪等零部件組成。葉輪是非壓力邊界的安全相關(guān)部件，是決定泵水力性能最主要的過流部件[2]，其帶動一回路循環(huán)水不停地高速旋轉(zhuǎn)，把熱量從壓力容器帶到蒸汽發(fā)生器與二回路進(jìn)行熱交換。因而，葉輪的質(zhì)量關(guān)系到核蒸汽系統(tǒng)能否正常運(yùn)行。該葉輪材料為馬氏體不銹鋼鑄件，不可避免的存在補(bǔ)焊，而馬氏體不銹鋼的可焊性較差，因而開展了核主泵葉輪補(bǔ)焊的試驗研究。

1 葉輪的可焊性研究

1.1 葉輪的化學(xué)成分和機(jī)械性能

核主泵葉輪的材料牌號為ASTM A743 CA6NM，化學(xué)成分詳見表1。

表1 葉輪的化學(xué)成分 ωB/%

常溫下的抗拉強(qiáng)度≥755MPa,屈服強(qiáng)度≥550MPa[3]。在－13℃的試驗溫度下，母材沖擊功≥68J。

1.2 葉輪的熱處理

依據(jù)設(shè)計規(guī)格書的要求，葉輪澆注完成后，在鑄態(tài)條件下首先進(jìn)行熱等靜壓處理，而后進(jìn)行常規(guī)奧氏體化處理，空冷到室溫，最后回火處理。

如果對葉輪進(jìn)行補(bǔ)焊操作，補(bǔ)焊后的葉輪被冷卻到室溫后，進(jìn)行消應(yīng)力焊后熱處理，然后空冷到室溫。

熱處理應(yīng)該在溫度受到監(jiān)測并已校準(zhǔn)的爐內(nèi)進(jìn)行，也可以采用與材料接觸的熱電偶或連接到與材料接觸的金屬塊上的高溫計儀表作測量控制來進(jìn)行熱處理。

1.3 馬氏體不銹鋼的焊接性

馬氏體不銹鋼鉻的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在12%以上，同時還匹配適量的碳或鎳，以提高其淬硬性和淬透性。從表1可以看出，核主泵葉輪材料為12%Cr和4%Ni，鉻本身能增加鋼的奧氏體穩(wěn)定性（即奧氏體分解曲線右移），加入碳、鎳后經(jīng)固溶再空冷也會發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變。因此，馬氏體型不銹鋼焊縫和熱影響區(qū)焊后狀態(tài)的組織為硬脆的馬氏體組織。馬氏體鋼的導(dǎo)熱性較碳鋼差，焊接時殘余應(yīng)力較大，如果焊接接頭剛性又大或焊接過程中含氫量較高，當(dāng)從高溫直接冷卻到120～100℃以下時,很容易產(chǎn)生冷裂紋[4]。此外，馬氏體不銹鋼在高溫時組織為奧氏體，焊后冷卻到室溫時，面心立方的奧氏體轉(zhuǎn)變成體心立方的馬氏體，容碳能力急劇惡化，導(dǎo)致體積發(fā)生變化，殘余應(yīng)力大，且塑韌性下降，焊后熱影響區(qū)也易產(chǎn)生裂紋[5]。

表2 焊絲的化學(xué)成分 ωB/%

防止淬硬造成冷裂紋的最有效方法是焊前預(yù)熱和控制層間溫度，以提高焊接接頭的塑性，減小內(nèi)應(yīng)力。為了獲得最佳的使用性能和防止延遲裂紋，焊后要求熱處理[6]。

2 葉輪補(bǔ)焊的焊材選用

根據(jù)葉輪的化學(xué)成分和機(jī)械性能，及ASME第Ⅱ卷C篇，匹配的焊材應(yīng)為焊絲SFA-5.9 AWS ER410NiMo，其化學(xué)成分如表2所示。

常溫下的抗拉強(qiáng)度≥760MPa，且依據(jù)設(shè)計規(guī)格書的要求，在-13℃的試驗溫度下，焊縫沖擊功≥41J。

3 焊接工藝評定試驗

3.1 執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)合同要求，焊接工藝評定需執(zhí)行ASME第Ⅸ卷的同時，也要滿足設(shè)計規(guī)格書中有關(guān)低溫沖擊試驗的特殊要求。

3.2 焊接坡口型式

圖1 工藝評定坡口型式

為模擬葉輪補(bǔ)焊的實(shí)際情況，焊接工藝評定試板采取凹槽的型式，如圖1所示。根據(jù)ASME第Ⅸ卷，母材評定范圍的最小壁厚為5mm，最大厚度不限；補(bǔ)焊的凹坑尺寸≤200mm。

3.3 焊接試驗

由具有HAF603及相應(yīng)ASME資質(zhì)的焊工對焊接工藝評定試板進(jìn)行焊接，并多次進(jìn)行焊接工藝性試驗，優(yōu)化焊接規(guī)范參數(shù)，實(shí)際焊接參數(shù)如表3所示。

焊后的試板進(jìn)行焊接消應(yīng)力后，經(jīng)X射線探傷合格，并進(jìn)行試板的分割，機(jī)械性能試樣的制備等，試樣的機(jī)械性能試驗結(jié)果如表4所示。

通過上述焊接工藝評定試驗結(jié)果可以看出，焊評試板消應(yīng)力處理后，焊接接頭的機(jī)械性能完全滿足相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)要求。

4 結(jié)論

（1）焊絲ER410NiMo可用于馬氏體不銹鋼鑄件ASTM A743 CA6NM的補(bǔ)焊，其焊接接頭的機(jī)械性能完全滿足并高于設(shè)計規(guī)格書的低溫沖擊及相應(yīng)ASME標(biāo)準(zhǔn)要求。

（2）試驗證明，確定的預(yù)熱溫度、層間溫度及優(yōu)化的焊接工藝參數(shù)是合理的，解決了馬氏體不銹鋼易產(chǎn)生冷裂紋的難題，可用于核主泵葉輪的補(bǔ)焊。

表3 焊評試驗的焊接規(guī)范參數(shù)

表4 焊評試驗的焊接接頭機(jī)械性能