縱 海

(上海電氣核電設(shè)備有限公司,上海 ２０１３０６)

摘 要:以SA５０８Gr．３Cl．２低合金鋼板不銹鋼堆焊層為例,研究了焊接試樣機(jī)加工對不銹鋼堆焊層中鐵素體數(shù)測定結(jié)果的影響,并通過對磁性法和化學(xué)法測得的鐵素體數(shù)進(jìn)行對比,找到了合適的焊接試樣加工制備方法及鐵素體數(shù)測定方法.結(jié)果表明:采用磁性法進(jìn)行鐵素體數(shù)測定時,應(yīng)盡量不要對焊接試樣使用鋸床等進(jìn)行切削加工,焊接試塊被測表面僅用銼刀銼磨平整即可,且銼磨應(yīng)沿焊道長度方向延伸,不得交錯加工;采用化學(xué)法測定鐵素體數(shù)時,焊接試樣機(jī)加工對鐵素體數(shù)測定結(jié)果無明顯影響.

關(guān)鍵詞:不銹鋼;堆焊層;鐵素體數(shù);磁性法;化學(xué)法;機(jī)加工

中圖分類號:TG４０６;TG１１５ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號:１００１Ｇ４０１２(２０１８)０８Ｇ０５７５Ｇ０３

不銹鋼堆焊層中的鐵素體含量對其力學(xué)性能、耐腐蝕性能和加工性能等都有很大影響,準(zhǔn)確測定其鐵素體含量至關(guān)重要[１].磁性法和化學(xué)法是測定不銹鋼堆焊層中鐵素體數(shù)(FerriteNumber,FN,一

種根據(jù)鎳當(dāng)量使用 Schaeffler圖、Delong圖、WRC圖等推算出來的鐵素體含量表示方法)的兩個基本方法.目前的研究方向主要集中于磁性法和化學(xué)法測定鐵素體數(shù)的原理,以及如何根據(jù)檢測對象選擇合適的鐵素體含量測定方法,還有研究焊接工藝參數(shù)和焊后熱處理對鐵素體含量的影響規(guī)律,但是很少有試樣機(jī)加工對最終鐵素體含量測定結(jié)果影響方面的研究.為此,筆者通過研究焊接試樣的機(jī)加工對不銹鋼堆焊層中鐵素體數(shù)測定結(jié)果的影響,同時通過對磁性法和化學(xué)法兩種方法測定的鐵素體數(shù)進(jìn)行對比,找出了合適的焊接試樣加工制備方法及鐵素體數(shù)測定方法.

１ 試驗(yàn)方法與結(jié)果

１．１ 焊接件制備

焊接試驗(yàn)采用核電用SA５０８Gr．３Cl．２低合金鋼板,試板尺寸為５０mm×１２０mm×３５０mm.裝焊好低合金試板,第一層采用 EQ３０９L 不銹鋼焊帶堆焊,后續(xù)層采用 EQ３０８L 不銹鋼焊帶堆焊,堆焊層最大長度、寬度、厚度分別為３００,６０,１６mm.焊接參數(shù)詳見表１.

１．２ 磁性法測定鐵素體數(shù)

磁性測量法在 GB/T１９５４－２００８«鉻鎳奧氏體不銹鋼焊縫鐵素體含量測量方法»中的解釋為采用以磁吸引力或?qū)Т怕蕿樵淼蔫F素體測試儀進(jìn)行測定,以測定的鐵素體數(shù) FN 表示不銹鋼焊縫中的鐵素體含量,測試的儀器一般可以稱之為鐵素體含量測試儀[２].工程現(xiàn)場的焊接過程通常借助鐵素體含量測試儀來控制δ鐵素體的含量[３].鐵素體含量、

形態(tài)、分布不均等均會造成測定結(jié)果的重現(xiàn)性及精確度較差,為此實(shí)際磁性法檢測中需要多位置、多次測定后取統(tǒng)計值[４].本文采用的儀器是 Fischer鐵素體含量測試儀(規(guī)格型號為 MP３０EＧS).試樣每間隔一定距離共?。秱€測試位置,每個測試位置測定６次,最終結(jié)果取平均值.

圖１ 磁性法待測試樣宏觀形貌

Fig.１ Macromorphologyofthespecimensformagneticmothodtest

分別在 如 下 ４ 種 情 況 進(jìn) 行 鐵 素 體 含 量 測 定:

①整塊焊接試樣 A,表面用銼刀粗銼;②將整塊焊接試樣 A 用鋸床切割成兩塊大焊接試樣 B１和 B２,表面用銼刀粗銼;③把大焊接試樣 B１和 B２用鋸床切割成小試樣 C１和 C２,表面用銼刀粗銼;④同③,在大焊接試樣 B１和 B２的基礎(chǔ)上用鋸床切割成小試樣 D１和 D２,表面用磨床機(jī)械切削加工.其中:試樣 A,B１,B２,C１,C２被測表面用銼刀粗銼,銼磨沿焊道長度方向延伸,不得交錯銼磨;試樣 D１和 D２被測表面用磨床機(jī)械切削加工.試樣形貌如圖１所示,最終鐵素體含量測定結(jié)果如表２所示.

由表２中數(shù)據(jù)可以看出:整塊焊接試樣 A 鐵素體數(shù)測定值最低為１４．０FN;切割后的兩塊大焊接試樣 B１和 B２的鐵素體數(shù)測定值相比試樣 A 的增大,分別為１４．７FN 和１４．６FN;而進(jìn)一步切割后的小試樣 C１ 和 C２ 的鐵素體數(shù)測定值更大,分別為１５．３FN 和１５．１FN.而這５個焊接試樣被測表面僅用銼刀粗銼平整,未使用磨床等進(jìn)行切削加工.

通過比較可以看出,僅對被測表面進(jìn)行銼磨,鋸床切割加工試樣的其他表面,對最后的磁性法鐵素體數(shù)測定結(jié)果仍然有明顯的影響,切削加工面越多、程度越大,最終的鐵素體數(shù)測定值也越大.由表２還可以看出:小試樣 C１和 C２的鐵素體數(shù)測定值分別為１５．３FN 和１５．１FN,小試樣 D１和D２的鐵素體數(shù)測定值分別為１６．８FN 和１６．６FN.小試樣 C１和 C２的被測表面僅用銼刀銼磨平整,未使用磨床等進(jìn)行切削加工;而小試樣 D１和 D２的被測表面使用磨床進(jìn)行了切削加工.通過比較可以看出,被測表面經(jīng)過機(jī)械冷加工的焊接試樣磁性法鐵素體數(shù)測定值明顯變大,這是因?yàn)闄C(jī)械冷加工會產(chǎn)

生形變馬氏體,而馬氏體的導(dǎo)磁性會對磁性法鐵素體數(shù)測定結(jié)果產(chǎn)生影響[５].

１．３ 化學(xué)法測定鐵素體數(shù)

化學(xué)法測定鐵素體數(shù),也稱為化學(xué)分析Ｇ圖譜法測定鐵素體含量,是由已知的鉻、鎳、鉬、鈮、碳、氮、銅等元素含量,通過特定公式計算出鉻當(dāng)量和鎳當(dāng)量,并以鉻當(dāng)量作為橫坐標(biāo),鎳當(dāng)量作為縱坐標(biāo),然后在不銹鋼組織圖上找到坐標(biāo)值,兩坐標(biāo)相交點(diǎn),便是 鐵 素 體 含 量 值[６].Schaeffler 圖、Delong 圖 和WRC圖(１９９２版)是最常用的３種鐵素體含量圖,其中Schaeffler圖未考慮氮元素的影響,Delong圖未考慮銅元素的影響,而 WRC 圖的計算公式既考慮了氮元素和銅元素的影響,同時可以與前述磁性法測定鐵素體數(shù)單位(FN)保持一致,因此本次試驗(yàn)使用 WRC圖進(jìn)行鐵素體含量測定,如圖２所示.

因?yàn)閷附釉嚇拥谋粶y表面進(jìn)行拋磨等機(jī)械加工處理,或者通過鋸床等對試樣其他面進(jìn)行機(jī)械加工,均不會改變堆焊層被測面的化學(xué)成分,因而選取前述整塊焊接試樣 A、小試樣 C１和 C２分別進(jìn)行化學(xué)分析Ｇ圖譜法測定鐵素體數(shù).化學(xué)成分測試結(jié)果的準(zhǔn)確度會直接影響 WRC 圖譜法的分析結(jié)果[７],因而為了測得準(zhǔn)確的堆焊層化學(xué)成分,分別采用兩種方法來測定化學(xué)成分,進(jìn)而計算鉻當(dāng)量和鎳當(dāng)量,然后通過 WRC圖得到鐵素體數(shù).鉻當(dāng)量和鎳當(dāng)量計算公式分別如下:

式中:wi 表示對應(yīng)元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù).

(１)方法一

用砂輪機(jī)及６０目砂紙先后將試樣 A,C１,C２磨光,將制備好的試樣置于直讀光譜儀激發(fā)臺上進(jìn)行化學(xué)成分分析.

(２)方法二

先后從試樣 A,C１,C２堆焊層表面取屑,用丙酮清洗烘干,利用碳硫分析儀檢測碳含量,氧氮?dú)浞治鰞x檢測氮含量,電感耦合等離子發(fā)射光譜儀檢測鉻、鎳、鉬、鈮、銅含量.

表３和表４分別為通過方法一和方法二得到的堆焊層化學(xué)元素含量及最終計算得到的鐵素體數(shù).由表３和表４可以看出:通過方法一和方法二得到的試樣 A 的鐵素體數(shù)分別為１４．０FN 和１４．１FN,

試樣 C１的鐵素體數(shù)都是１３．３FN,試樣 C２的鐵素體數(shù)也相近,分別為１４．４FN 和１４．０FN.可見兩種方法測得的不銹鋼堆焊層中的鐵素體數(shù)基本吻合,說明采 用 這 兩 種 方 法 測 定 化 學(xué) 成 分 然 后 根 據(jù)WRC圖計算鐵素體數(shù)是可取的.

表３ 和 表 ４ 中 試 樣 A 的 鐵 素 體 數(shù) 分 別 為１４．０FN和１４．１FN,與表２中磁性法測定整塊試樣A 的鐵素體數(shù)１４．０FN 基本吻合,說明對于未經(jīng)機(jī)加工處理的整塊試樣,根據(jù)化學(xué)成分使用 WRC 圖間接測定得到的鐵素體數(shù)與使用磁性法直接測定得到的鐵素體數(shù)基本吻合.表３和表４中試樣 C１和 C２的鐵素體數(shù)分別為１３．３,１４．４FN 及１３．３,１４．０FN,與表２中磁性法測定整塊焊接試樣 A 的鐵素體數(shù)１４．０FN 接近,可以看出對焊接試塊進(jìn)行機(jī)加工處理后,用 WRC 圖法間接測定得到的鐵素體數(shù)與磁性法直接測定未經(jīng)機(jī)加工處理的整塊試樣得到的鐵素體數(shù)也基本吻合,這說明對焊接試樣進(jìn)行機(jī)加工處理對化學(xué)法測定堆焊層中鐵素體數(shù)無明顯影響.

要受靜態(tài) 應(yīng) 力 和 氫 元 素 作 用,產(chǎn) 品 裝 配 結(jié) 束 進(jìn) 行２００次操作試驗(yàn)后,推測止動螺栓上出現(xiàn)了裂紋,最后在進(jìn)行調(diào)整時受到扭轉(zhuǎn)力作用而發(fā)生最終斷裂.因此,氫和應(yīng)力的共同作用是造成該批次止動螺栓

３ 結(jié)論及改進(jìn)措施

(１)該批次２５２kV GIS機(jī)構(gòu)止動螺栓斷裂屬于典型的沿晶氫脆斷裂.

(２)螺栓在電鍍鋅表面處理過程中引入了氫元素,去氫工藝不當(dāng)造成氫元素殘留,從而導(dǎo)致螺栓在使用過程中于氫和應(yīng)力的共同作用下發(fā)生延遲斷裂,其中過量氫是造成該批次止動螺栓氫脆斷裂的根本原因.

(３)建議對于抗拉強(qiáng)度大于１１２８MPa或者硬度高于３７HRC的高強(qiáng)度等級的螺栓在電鍍鋅后要及時進(jìn)行去氫處理,且應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行去氫工藝規(guī)范,避免因去氫工藝不當(dāng)誘發(fā)氫脆斷裂;另外可以采取適當(dāng)降低合金鋼的碳含量、適量提高回火溫度等措施;對于要經(jīng)過海上運(yùn)輸?shù)膶浯嗝舾械牧悴考?在運(yùn)輸時要進(jìn)行包裝防護(hù),避免長期接觸海霧而導(dǎo)致零部件局部滲氫.發(fā)生氫脆斷裂的主要原因[７Ｇ８].

３ 結(jié)論

(１)在采用磁性法進(jìn)行鐵素體數(shù)測定時,應(yīng)盡量不要對焊接試樣進(jìn)行切削加工,包括對被測面和其他面的機(jī)加工,盡量保持焊接試塊完整,焊接試樣被測表面僅需沿焊道長度方向銼磨平整即可,且不得交錯銼磨.

(２)采用化學(xué)法測定鐵素體數(shù)時,焊接試樣機(jī)加工對鐵素體數(shù)測定值無明顯影響;對經(jīng)過機(jī)加工的焊接試樣推薦使用化學(xué)法測定其鐵素體數(shù).

（文章來源：材料與測試網(wǎng)-理化檢驗(yàn)－物理分冊>2018年>8期> pp.575）