縱 海

(上海電氣核電設備有限公司,上海 ２０１３０６)

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

關鍵詞:不銹鋼;堆焊層;鐵素體數;磁性法;化學法;機加工

中圖分類號:TG４０６;TG１１５ 文獻標志碼: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性能、耐腐蝕性能和加工性能等都有很大影響,準確測定其鐵素體含量至關重要[１].磁性法和化學法是測定不銹鋼堆焊層中鐵素體數(FerriteNumber,FN,一

種根據鎳當量使用 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法測定鐵素體數的原理,以及如何根據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和焊后熱處理對鐵素體含量的影響規律,但是很少有試樣機加工對最終鐵素體含量測定結果影響方面的研究.為此,筆者通過研究焊接試樣的機加工對不銹鋼堆焊層中鐵素體數測定結果的影響,同時通過對磁性法和化學法兩種方法測定的鐵素體數進行對比,找出了合適的焊接試樣加工制備方法及鐵素體數測定方法.

１ 試驗方法與結果

１．１ 焊接件制備

焊接試驗采用核電用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.焊接參數詳見表１.

１．２ 磁性法測定鐵素體數

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導磁率為原理的鐵素體測試儀進行測定,以測定的鐵素體數 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、分布不均等均會造成測定結果的重現性及精確度較差,為此實際磁性法檢測中需要多位置、多次測定后取統計值[４].本文采用的儀器是 Fischer鐵素體含量測試儀(規格型號為 MP３０EＧS).試樣每間隔一定距離共取６個測試位置,每個測試位置測定６次,最終結果取平均值.

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 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的基礎上用鋸床切割成小試樣 D１和 D２,表面用磨床機械切削加工.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被測表面用磨床機械切削加工.試樣形貌如圖１所示,最終鐵素體含量測定結果如表２所示.

由表２中數據可以看出:整塊焊接試樣 A 鐵素體數測定值最低為１４．０FN;切割后的兩塊大焊接試樣 B１和 B２的鐵素體數測定值相比試樣 A 的增大,分別為１４．７FN 和１４．６FN;而進一步切割后的小試樣 C１ 和 C２ 的鐵素體數測定值更大,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,未使用磨床等進行切削加工.

通過比較可以看出,僅對被測表面進行銼磨,鋸床切割加工試樣的其他表面,對最后的磁性法鐵素體數測定結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的鐵素體數測定值分別為１５．３FN 和１５．１FN,小試樣 D１和D２的鐵素體數測定值分別為１６．８FN 和１６．６FN.小試樣 C１和 C２的被測表面僅用銼刀銼磨平整,未使用磨床等進行切削加工;而小試樣 D１和 D２的被測表面使用磨床進行了切削加工.通過比較可以看出,被測表面經過機械冷加工的焊接試樣磁性法鐵素體數測定值明顯變大,這是因為機械冷加工會產

生形變馬氏體,而馬氏體的導磁性會對磁性法鐵素體數測定結果產生影響[５].

１．３ 化學法測定鐵素體數

化學法測定鐵素體數,也稱為化學分析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量和鎳當量,并以鉻當量作為橫坐標,鎳當量作為縱坐標,然后在不銹鋼組織圖上找到坐標值,兩坐標相交點,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單位(FN)保持一致,因此本次試驗使用 WRC圖進行鐵素體含量測定,如圖２所示.

因為對焊接試樣的被測表面進行拋磨等機械加工處理,或者通過鋸床等對試樣其他面進行機械加工,均不會改變堆焊層被測面的化學成分,因而選取前述整塊焊接試樣 A、小試樣 C１和 C２分別進行化學分析Ｇ圖譜法測定鐵素體數.化學成分測試結果的準確度會直接影響 WRC 圖譜法的分析結果[７],因而為了測得準確的堆焊層化學成分,分別采用兩種方法來測定化學成分,進而計算鉻當量和鎳當量,然后通過 WRC圖得到鐵素體數.鉻當量和鎳當量計算公式分別如下:

式中:wi 表示對應元素的質量分數.

(１)方法一

用砂輪機及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臺上進行化學成分分析.

(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,氧氮氫分析儀檢測氮含量,電感耦合等離子發射光譜儀檢測鉻、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元素含量及最終計算得到的鐵素體數.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 的鐵素體數分別為１４．０FN 和１４．１FN,

試樣 C１的鐵素體數都是１３．３FN,試樣 C２的鐵素體數也相近,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基本吻合,說明采 用 這 兩 種 方 法 測 定 化 學 成 分 然 后 根 據WRC圖計算鐵素體數是可取的.

表３ 和 表 ４ 中 試 樣 A 的 鐵 素 體 數 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１４．０FN 基本吻合,說明對于未經機加工處理的整塊試樣,根據化學成分使用 WRC 圖間接測定得到的鐵素體數與使用磁性法直接測定得到的鐵素體數基本吻合.表３和表４中試樣 C１和 C２的鐵素體數分別為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１４．０FN 接近,可以看出對焊接試塊進行機加工處理后,用 WRC 圖法間接測定得到的鐵素體數與磁性法直接測定未經機加工處理的整塊試樣得到的鐵素體數也基本吻合,這說明對焊接試樣進行機加工處理對化學法測定堆焊層中鐵素體數無明顯影響.

要受靜態 應 力 和 氫 元 素 作 用,產 品 裝 配 結 束 進 行２００次操作試驗后,推測止動螺栓上出現了裂紋,最后在進行調整時受到扭轉力作用而發生最終斷裂.因此,氫和應力的共同作用是造成該批次止動螺栓

３ 結論及改進措施

(１)該批次２５２kV GIS機構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,去氫工藝不當造成氫元素殘留,從而導致螺栓在使用過程中于氫和應力的共同作用下發生延遲斷裂,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)建議對于抗拉強度大于１１２８MPa或者硬度高于３７HRC的高強度等級的螺栓在電鍍鋅后要及時進行去氫處理,且應嚴格執行去氫工藝規范,避免因去氫工藝不當誘發氫脆斷裂;另外可以采取適當降低合金鋼的碳含量、適量提高回火溫度等措施;對于要經過海上運輸的對氫脆敏感的零部件,在運輸時要進行包裝防護,避免長期接觸海霧而導致零部件局部滲氫.發生氫脆斷裂的主要原因[７Ｇ８].

３ 結論

(１)在采用磁性法進行鐵素體數測定時,應盡量不要對焊接試樣進行切削加工,包括對被測面和其他面的機加工,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)采用化學法測定鐵素體數時,焊接試樣機加工對鐵素體數測定值無明顯影響;對經過機加工的焊接試樣推薦使用化學法測定其鐵素體數.

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