摘要：文中通過對(duì)核電乏燃料轉(zhuǎn)運(yùn)托架用Q460ND低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼的焊接性分析，提出了Q460ND鋼材焊接的基本要求，依據(jù)設(shè)備的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、焊接的質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求確定了Q460ND鋼材的焊接方法、焊接材料、焊接工藝參數(shù)以及焊后熱處理規(guī)范，并結(jié)合焊接工藝評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)重要因素和補(bǔ)加因素的覆蓋范圍以制定了6組工藝評(píng)定試驗(yàn)方案。評(píng)定試件分別按照焊接工藝評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，經(jīng)坡口加工、組對(duì)焊接、熱處理和焊縫無損檢測(cè)后切取了全厚度接頭拉伸試樣、焊縫及熱影響區(qū)沖擊試樣、全截面金相試樣和硬度試樣進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)。無損檢測(cè)和破壞性試驗(yàn)結(jié)果表明采用選定的焊接方法、焊接材料、焊接工藝參數(shù)以及焊后熱處理規(guī)范焊制的Q460ND鋼材焊接接頭性能優(yōu)良，為有效支持設(shè)備的焊接奠定了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：Q460ND鋼；焊接性;工藝評(píng)定;焊接參數(shù);力學(xué)性能

中圖分類號(hào)：TG442

前言隨著工程技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代建筑、機(jī)械行業(yè)對(duì)承重鋼結(jié)構(gòu)的輕量化和服役安全性的要求不斷提高，越來越多的結(jié)構(gòu)采用高強(qiáng)鋼替代傳統(tǒng)的低強(qiáng)度鋼材料。國外對(duì)460MPa級(jí)別的低合金高強(qiáng)鋼投入了大量研究，但我國鋼鐵行業(yè)發(fā)展起步較晚，對(duì)此類材料的研究及技術(shù)儲(chǔ)備相對(duì)較少，特別是在同時(shí)要求高強(qiáng)度和韌性的應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)更為稀缺。某核電項(xiàng)目乏燃料轉(zhuǎn)運(yùn)托架設(shè)備主要由定位模塊、托架、主梁、抓取系統(tǒng)、栓系結(jié)構(gòu)等部件組成，其整體外形尺寸為3100mm×3700mm×9072mm，主體材質(zhì)選用了兼具高強(qiáng)度和韌性的Q460ND低合金高強(qiáng)鋼，設(shè)備總重約15噸。

Q460ND屬于正火態(tài)的低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼，由于其碳含量及合金元素含量較低，焊接性總體較好，但該鋼材中含有一定的合金元素及微合金化元素，碳當(dāng)量相對(duì)較大，導(dǎo)致其焊接也存在著產(chǎn)生冷裂紋、熱裂紋、再熱裂紋、焊接熱影響區(qū)脆化以及厚大T形接頭的層狀撕裂風(fēng)險(xiǎn)[1]，同時(shí)為了保證整個(gè)接頭的強(qiáng)度和韌性不低于母材標(biāo)準(zhǔn)的下限值要求以保證設(shè)備安全服役，必須合理選擇的焊接方法、焊接材料和焊接工藝參數(shù)，并依據(jù)乏燃料轉(zhuǎn)運(yùn)托架設(shè)備技術(shù)要求、實(shí)際焊接厚度以及工藝需要應(yīng)制定適當(dāng)?shù)暮负鬅崽幚碇贫取?/p>

1Q460ND鋼性能指標(biāo)

Q460ND為正火態(tài)交貨的低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼，其質(zhì)量等級(jí)為D級(jí)。Q460ND鋼材具有優(yōu)異拉伸性能和塑性以及良好低溫沖擊韌性，GBT1591-2018標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定該鋼材的化學(xué)成分、力學(xué)性能分別見表1、表2，根據(jù)鋼材的熔煉分析結(jié)果按照國際焊接學(xué)會(huì)推薦公式計(jì)算的碳當(dāng)量值CEV≤0.53%～0.55%[2]。

b.可用全鋁Alt替代，此時(shí)全鋁最小含量為0.020%。當(dāng)鋼中添加了鈮、釩、鈦等細(xì)化晶粒元素且含量不小于表中規(guī)定含量的下限時(shí)，鋁含量下限值不限。

2焊接工藝方案

2.1焊接方法

乏燃料轉(zhuǎn)運(yùn)托架主要是由型鋼、鍛件以及筋板等鉚焊而成的框架結(jié)構(gòu)，其待焊零部件厚度范圍6～150mm，焊縫形式多樣且焊接位置不一，同時(shí)為保證設(shè)備焊接接頭良好的低溫沖擊韌性，選擇操作較為靈活、焊縫質(zhì)量較高的手工鎢極氬弧焊和（或）焊條電弧焊進(jìn)行焊接。

2.2焊接材料

低合金高強(qiáng)鋼在選擇焊接材料時(shí)首先應(yīng)保證其焊接接頭的強(qiáng)度，同時(shí)應(yīng)針對(duì)焊接風(fēng)險(xiǎn)選擇抗裂性能及韌塑性良好的低氫型焊接材料，并嚴(yán)格控制焊接材料中的雜質(zhì)元素S、P含量[3]；為降低乏燃料轉(zhuǎn)運(yùn)托架厚大T形接頭的層狀撕裂風(fēng)險(xiǎn)，焊接材料的強(qiáng)度應(yīng)盡可能接近Q460ND鋼材的下限值；同時(shí)為了保證整個(gè)接頭良好的韌塑性，焊接材料熔敷金屬的沖擊性能不得低于Q460ND母材沖擊性能的最低要求。根據(jù)以上選材原則，擬選用某焊材廠商生產(chǎn)的E5516-N1型焊條和ER55-D2型焊絲，其熔敷金屬實(shí)測(cè)的化學(xué)成分和力學(xué)性能分別見表3、表4。2.3焊接工藝參數(shù)

由于Q406ND材質(zhì)的碳當(dāng)量值相對(duì)較大，具有一定的淬硬傾向和冷裂紋傾向[4]，因此在焊接過程中應(yīng)選擇較大焊接熱輸入，以降低焊接冷卻速度。但是焊接線能量過高將使得熔池冶金反應(yīng)加劇和高溫停留時(shí)間增加，進(jìn)而導(dǎo)致焊縫金屬和熱影響區(qū)的韌性和塑性降低，同時(shí)增大再熱裂紋和層狀撕裂的風(fēng)險(xiǎn)。參照NBT47015-2011《壓力容器焊接規(guī)程》[5]，當(dāng)待焊Q460ND工件的接頭厚度δ＞25mm時(shí)需焊前預(yù)熱80℃以上以降低焊接接頭的淬硬和裂紋風(fēng)險(xiǎn)，因此依托工程經(jīng)驗(yàn)和上述要求，接頭厚度δ≤25mm時(shí)，焊前不需預(yù)熱；焊件溫度低于-20℃時(shí)禁止施焊；當(dāng)焊件溫度低于0℃但不低于-20℃時(shí)，應(yīng)在施焊處100mm范圍內(nèi)預(yù)熱到15℃以上。擬定乏燃料轉(zhuǎn)運(yùn)托架設(shè)備的焊接工藝參數(shù)見表5。

2.4焊后熱處理制度

由于乏燃料轉(zhuǎn)運(yùn)托架設(shè)備的主梁部件和托架部件的焊縫厚度較大且焊縫較為集中，造成焊接殘余應(yīng)力較大且分布集中，為了改善接頭性能并穩(wěn)定結(jié)構(gòu)尺寸以滿足性能和精度要求，在焊接完成需進(jìn)行消應(yīng)力熱處理[6]。為此，參照NBT47015-2011《壓力容器焊接規(guī)程》并根據(jù)設(shè)備部件中的接頭等效厚度擬定的焊后消應(yīng)力熱處理保溫溫度為620±20℃，最大保溫時(shí)間1.5h。

3焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)

根據(jù)乏燃料轉(zhuǎn)運(yùn)托架設(shè)備擬定的焊接工藝方案，并按照NBT47014-2011《承壓設(shè)備焊接工藝評(píng)定》[7]中相關(guān)重要因素和補(bǔ)加因素的覆蓋范圍和設(shè)備焊接需要，制定了6組焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)。具體焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)方案見表6，焊接工藝參數(shù)（預(yù)熱溫度除外）按表5規(guī)定執(zhí)行，焊接接頭形式如圖1所示。

為支持設(shè)備焊接接頭厚度在16～25mm范圍內(nèi)無預(yù)熱的焊接，并綜合考慮Q460ND鋼冷裂紋敏感性并非特別大[8]，本次評(píng)定試驗(yàn)均無焊前預(yù)熱；為支持設(shè)備無需焊后熱處理的焊接接頭和需要焊后消應(yīng)力熱處理的焊接接頭以及其進(jìn)行多次熱處理的可能，試驗(yàn)A、試驗(yàn)C和試驗(yàn)E進(jìn)行焊態(tài)試驗(yàn)，試驗(yàn)B、試驗(yàn)D和試驗(yàn)F進(jìn)行模擬消應(yīng)力熱處理態(tài)試驗(yàn)，模擬消應(yīng)力熱處理制度為620±20℃×6h。

4焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1無損檢測(cè)結(jié)果

試驗(yàn)A、試驗(yàn)C和試驗(yàn)E焊接完成后和試驗(yàn)B、試驗(yàn)D和試驗(yàn)F焊接完成并經(jīng)熱處理后按照NBT47014-2011《承壓設(shè)備焊接工藝評(píng)定》的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行目視檢測(cè)、滲透檢測(cè)、射線檢測(cè)，均未發(fā)現(xiàn)任何咬邊、裂紋、未熔合、夾渣、氣孔等焊接缺陷。

4.2破壞性試驗(yàn)結(jié)果

按照NBT47014-2011《承壓設(shè)備焊接工藝評(píng)定》的規(guī)定對(duì)上述6組試驗(yàn)進(jìn)行接頭橫向拉伸試驗(yàn)、夏比V形缺口沖擊試驗(yàn)和彎曲試驗(yàn)，同時(shí)分別在焊縫中心、熱影響區(qū)和母材區(qū)進(jìn)行HV10硬度測(cè)定、全截面宏觀金相檢查、微觀金相檢查。

各項(xiàng)試驗(yàn)的力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果見表7，其中，試驗(yàn)A、試驗(yàn)B、試驗(yàn)C和試驗(yàn)D因試板厚度限制，沖擊試樣規(guī)格為5mm×10mm×55mm的小尺寸試樣；試驗(yàn)A和試驗(yàn)B焊縫沖擊試驗(yàn)溫度為-30℃，其余試驗(yàn)焊縫沖擊試驗(yàn)為-40℃。無稀釋區(qū)域的焊縫化學(xué)成分符合表3的規(guī)定，全截面宏觀金相試樣檢查面未見裂紋、未熔合、未焊透、氣孔等焊接缺陷，焊縫和熱影響區(qū)的顯微金相組織均為貝氏體和少量鐵素體，且檢查區(qū)域均未發(fā)現(xiàn)顯微裂紋以及異常組織。鎢極氬弧焊和焊條電弧焊的焊縫、熱影響區(qū)微觀金相照片分別如圖2～圖5所示。

4.3試驗(yàn)結(jié)果分析

無損檢測(cè)和金相檢查結(jié)果結(jié)果表明文中選用的焊接材料、擬定的焊接工藝參數(shù)和熱處理制度可以保證Q460ND鋼材的焊接接頭不會(huì)出現(xiàn)各類焊接缺陷，同時(shí)在接頭厚度不超過45mm時(shí)焊前不預(yù)熱也不會(huì)產(chǎn)生冷裂紋和脆硬的馬氏體組織。但考慮到焊接工藝評(píng)定試件與實(shí)際待焊工件的拘束度差異以及標(biāo)準(zhǔn)要求，建議在接頭厚度超過25mm時(shí)增加預(yù)熱要求。

拉伸、沖擊和彎曲試驗(yàn)結(jié)果表明，采用文中選用的焊接材料、擬定的焊接工藝參數(shù)（焊前無預(yù)熱）和熱處理制度完成焊接接頭的抗拉強(qiáng)度和低溫沖擊韌性均明顯優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。依據(jù)硬度測(cè)定結(jié)果所繪制的6組試驗(yàn)焊接接頭各區(qū)域的硬度曲線如圖6所示，從硬度曲線圖可以看出：鎢極氬弧焊焊縫的硬度略高于母材，主要是由于焊絲熔敷金屬的碳元素含量相對(duì)較高所致，這也在其微觀金相滲碳體組織含量較多和拉伸試驗(yàn)抗拉強(qiáng)度較高的試驗(yàn)結(jié)果中有所體現(xiàn)，但其熱影響區(qū)的硬度與母材相當(dāng)；焊條電弧焊焊縫、熱影響區(qū)的硬度與母材相當(dāng)；兩種焊接方法的熱影響區(qū)均未出現(xiàn)淬硬傾向；經(jīng)消應(yīng)力處理后焊接接頭硬度整體有所降低。

5結(jié)論

（1）選用ER55-D2焊絲和E5516-N1焊條焊接Q460ND鋼能夠獲得優(yōu)異的焊接接頭質(zhì)量。

（2）文中制定的焊接工藝參數(shù)和焊后熱處理制度是正確的，各項(xiàng)性能指標(biāo)均明顯優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，且焊接接頭熱影響區(qū)均未出現(xiàn)淬硬傾向。

（3）焊后消應(yīng)力熱處理可以在一定程度上降低Q460ND鋼焊接接頭各個(gè)區(qū)域的硬度值。

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收稿日期：2023-11-18

吳兵兵簡介：1986年生，學(xué)士，工程師，主要從事核電及化工設(shè)備的焊接工藝研究。460408509@qq.com。