郭 平 史鼎文 靳海山 李 向

(1.中核能源科技有限公司，北京100084；2.上海电气重工集团，上海200245)

我国目前在建的高温气冷堆核电站示范工程是由清华大学设计的具有我国自主知识产权的高温气冷堆核电项目，属于国家重大专项。其运行原理和结构设计同压水堆核电相比在许多方面都是不同的，具有其自己的特点。尤其是主设备的结构、材料以及规范都和压水堆有很大区别，其金属堆内构件的材料选用12Cr2Mo1低合金钢，这和压水堆核电站堆内构件选用的不锈钢相比有很大不同。

12Cr2Mo1低合金耐热钢在化工设备上有广泛的运用，但该材料在核电主设备上的运用在我国还是第一次。这种钢在高温堆金属堆内构件上的运用和化工设备上的运用对材料的力学性能要求是不相同的，其中最主要的区别就是在力学性能试验要求中增加了落锤试验，具体要求为参考无塑性转变温度RTNDT≤-25℃。在金属堆内构件的锻件制造过程中，落锤试验出现了不合格，而落锤试验是不容许进行复验的，只能重新进行性能热处理，并且重新热处理次数不能超过两次。

制造厂对落锤不合格锻件重新进行热处理后再次试验，结果仍然不合格。在这种情况下，笔者经过对试验后的试样认真观察，发现试样的焊道热影响区很大，表面颜色变成了黑色，并且落锤试样的断裂程度和焊接热影响区的严重程度有一定的关联。为此，笔者组织制造厂负责工艺的技术人员和其他监造人员等，决定从试样焊道焊接工艺方面着手进行进一步的宏观和微观组织分析研究。本文就是对这一研究过程进行了分析汇总，论证了落锤试样焊道的焊接方法和焊接工艺对该材料的无塑性转变温度的影响，并提出了解决办法。本文所应用的试验数据和图片，得到了制造厂的同意。

1 金属堆内构件锻件12Cr2Mo1材料落锤试验不合格的基本情况

1.1 锻件制造工艺流程

高温堆金属堆内构件大锻件按两个堆计算共有上法兰段2件，上支承板2件，出球连接管2件，监督材料2件，热气导管1件(在组焊是分为2件)，总计共9件。其中上法兰段和上支承板锻件的重量和尺寸都较大，其余5件重量和尺寸较小。

金属堆内构件锻件的制造工艺流程为：冶炼→铸造→锻造→锻后热处理→粗加工→UT初检→性能热处理→取样→理化试验→精加工→最终无损检测。

1.2 锻件力学性能试验项目

锻件的主要力学性能试验项目为拉伸试验(包括常温、375℃和500℃三种温度下的拉伸试验)，冲击试验(包括RTNDT+33℃=8℃，80℃两种温度下的冲击试验)，落锤试验(RTNDT≤-25℃)。

1.3 锻件力学性能试验的基本情况

制造厂对12Cr2Mo1材料锻件以前也曾经制作过，但主要是用在化工容器，比如曾经制作过加氢反应器用锻件。但是在化工容器锻件制作中不要求进行落锤试验，因此，对于此次用在核电金属堆内构件上的这种材料，制造厂给予了充分的重视。先从尺寸和重量较小的几个锻件着手先进行力学性能试验，结果是拉伸和冲击试验都满足采购规程的要求，而落锤试验全部不合格。具体数据如表1所示(由于篇幅所限，表1只提供了热气导管开孔法兰0°～90°相限内的力学性能试验数据)。其中，落锤试验的试样结果情况如图1所示。

图1 热气导管开孔法兰落锤试验后的试样照片Figure 1 The specimen picture of opening flange for hot gas duct after drop weight test

表1 热气导管开孔法兰力学性能试验数据Table 1 The mechanical test results of opening flange for hot gas duct

1.4 锻件落锤试验结果的评判

落锤试验是用来测量厚度不小于12 mm的铁素体钢的无塑性转变温度(GB/T6803—2008)。这种试验通常采用的试验标准主要有：GB/T6803—2008、ASTM E208—95a、RCC-M MC1320。其中，RCC-M MC1320试验方法引用的是ASTM E208—95a，只是焊道焊接时从两边向中间进行焊接。这三个标准虽然分别由三个不同国家所制定，但在试验方法上基本相同，只是对试样表面脆性焊道的长度和焊接方法的规定略有不同，金属堆内构件锻件所采用的是GB/T6803—2008[1,2]。

脆性焊道是在落锤试样表面堆焊的一条具有一定长度、宽度和厚度的单道焊道，它的主要作用是在试验时在试样上形成一条小的物理断裂缺陷。选用合适的堆焊材料，运用正确的堆焊工艺方法是确保落锤试验时脆性焊道缺口底部开裂，使试验有效的一个关键步骤。

GB/T6803—2008标准中规定堆焊时只允许从一端起弧，匀速地向另一端移动，堆焊过程中不允许摆动，一次成型使焊道厚度达到3.5 mm～5 mm之间，堆焊过程中不允许断弧。焊接电流I=180 A～200 A。堆焊后，迅速将模具从试样表面移开，并用小锤将焊道表面的药皮清除掉，然后将试样平放在宽敞的钢板平台上，焊道朝上，让其自然冷却到室温。最后在焊道中心线处开一个缺口，缺口位置和尺寸见图2 ，开缺口时注意切割工具不得与试样表面接触，缺口宽度≤1. 5 mm ，缺口处剩余焊接金属高度为1. 8 mm～2. 0 mm。

图2 落锤试验缺口示意图Figure 2 The sketch of specimen notch for drop weight test

对于试验结果的判定有3种，第一是断裂，裂纹源焊道形成的裂纹扩展到受拉面的一个或两个棱边，则认为试样断裂。第二是未断裂，裂纹源焊道形成的裂纹未扩展到受拉面的棱边，则认为试样未断裂。第三是无效试样，试验完成后，试样的裂纹源焊道缺口没有可见的裂纹，或根据砧座终止台上的标记证明试样未充分弯曲未接触到砧座终止台，则认为试验无效。

TNDT温度的确定，是用一组试样(2个为一组)按标准进行试验，测出试样断裂的最高温度，在比该温度高5℃时至少做两个试样的试验，并且两个试样均为未断裂，那么试样断裂时的温度即为实测的TNDT温度。

2 落锤试验不合格原因分析与焊接工艺研究

2.1 TNDT试验的一般影响因素

史巨元在《钢的动态力学性能及应用》一书中对钢铁材料的TNDT影响因素分析得到如下结论[3]：

(1)锻轧方向的影响。因为脆性断裂不受加工方向的影响，所以TNDT与锻轧方向无关。

(2)化学成分的影响。其研究结果指出，钢中的夹杂物含量对TNDT的影响不大，除氢有微小的影响外，没有发现任何合金元素和微量元素变化对材料的TNDT有影响。但不同厂家生产的同一牌号的钢TNDT有较大差异。

(3)显微组织的影响。晶粒尺寸和显微组织的变化对钢的TNDT有很大影响。

(4)试验条件和试样制备的影响。在早期的TNDT测试试验中，由于试验技术和设备条件的差异而引起的试验结果最大可相差20℃。但是随着测试技术的发展和试验程序的规范化，到20世纪80年代中期，国内不同试验单位之间以及国内与国外单位之间，试验数据相差甚小。

(5)堆焊焊条的影响。由于焊条原因而使结果出现相差20℃的情况。

2.2 锻件材料落锤试验不合格原因分析

从TNDT的一般影响因素进行分析，取样方向不会影响试验的结果，并且在采购规格书中对落锤试样的取样方向也没有规定。材料的化学成分也是符合采购规范的，见表2。

从表2中可以看出化学成分是符合采购规程的，另外从TNDT的一般影响因素进行分析，化学成分对试验结果也无明显影响。

试验条件和试验设备方面，制造厂的落锤试验进行外协，外协厂具有该项试验的资格，试验设备进行过法定检验机构的鉴定，同时也取得了ASME认证和鉴定。所以试验设备方面是不存在明显影响因素的。

试验中所使用的焊材为直径∅5 mm的D127型焊条，属于GB/T6803—2008所规定的堆焊焊条，所以焊条方面的因素也不可能明显影响试验结果。

显微组织的影响。根据制造厂提供的金相报告和照片，该材料的金相组织为贝氏体组织和少量铁素体，晶粒度为7.5级，采购规程要求大于5级。非金属夹杂物含量符合采购规程的要求。因此仅仅从锻件材料本身来分析，金相组织为回火贝氏体及少量铁素体是符合该材料热处理所要达到的要求，晶粒度已经足够细，不会对材料的落锤试验产生明显的影响。

表2 材料化学成分(质量分数，%)Table 2 The chemical composition of material(mass fraction, %)

由分析可知，以上因素都不是造成响落锤试验不合格的主要因素。

2.3 锻件材料落锤试样焊道和热影响区的分析

热气导管开孔法兰、监督材料和出球连接管第一次的落锤试验结果为-25℃不合格。根据试样断裂的情况按照试验人员的经验判断，该批试样的实际TNDT应该在-5℃或0℃左右。为了掌握该批材料的实际TNDT，又从锻件母材上重新取样并加工好落锤试样，重新进行测试实际的TNDT。测试结果TNDT=-5℃。这和采购规程的要求相差20℃。

试验后，对试样的断裂情况、试样外形及试样上的焊接热影响区进行认真观察，发现存在以下两方面的问题。第一，试样焊接的热影响区很大，而且在试样上焊道的另一面也发现热影响区很大，在热影响区内试样表面的颜色也失去了金属色泽，而变成了蓝色和黑色，具体可以参看图3；第二，试样的焊道宽度有的超出了标准要求。标准要求的焊道宽度为12 mm～16 mm，经过对已做试样进行实际测量发现，大部分试样的焊道宽度在14.5 mm～16 mm范围内，有的试样的焊道在局部宽度超过了16 mm，最大的宽度有17.5 mm。

针对这一发现，对落锤试验的焊接记录和日常的焊接过程进行了检查，发现试验焊接设备是合格的设备，焊接人员也是持有焊工资格证书和该焊接项目的考试合格证书，所用焊条为∅5 mm的D127型焊条，符合标准要求。焊接操作记录中焊接电流基本是在190 A～200 A的范围内，这也符合GB/T6803—2008标准所要求的180 A～200 A的范围。从现场正在焊接的情况来看，试样在这样的工艺参数下堆焊后，热影响区都很大。还发现操作人员堆焊焊道时一般是用一个模板，把模板放在事先划好线的位置上，然后进行堆焊。焊后随机抽取几个试样对焊道尺寸进行测量，发现尺寸基本符合要求，但焊道的宽度都接近上限16 mm。

以上仅仅是从试样的外观发现了一些问题，但还不能进行定量的分析和得到有用的结论。为了对焊道热影响区对落锤试验结果的影响有更深入的研究，决定对已做试验的试样进行微观分析。

从已做落锤试验的试样中选取了两个试样，分别对焊缝区和焊接热影响区进行金相检验。这两个试样中，一个为未断裂试样(A试样)，另一个为断裂试样(B试样)。A试样和B试样的金相照片具体参见图4～15。

图4中，A试样的焊接热影响区(HAZ)长度为23.3 mm ～ 24.8 mm，宽度4.8 mm，试样缺口处的脆性区宽度为23.3 mm ～ 24.8 mm，试样未受焊接影响区域宽度为25.2 mm～26.7 mm。

图5中， B试样焊接热影响区(HAZ)长度为22.7 mm～25.7 mm，宽度6.82 mm，试样缺口处的脆性区宽度为22.7 mm ～25.7 mm，试样未受焊接影响区域宽度为24.3 mm～27.3 mm。

由焊接接头金相分析，A试样热影响区的面积小于B试样。因为热影响区中存在大量的马氏体组织，所以B试样焊接热影响区所导致的落锤试样中脆性区的面积所占的比例大，这会导致落锤试验温度结果趋向于提高。

由于A试样堆焊焊道宽度小，热输入小，高温停留时间短，冷却速度较快，在同样材料和同样冷却条件下，A试样的焊缝金属和热影响区的晶粒尺寸和马氏体板条尺寸及马氏体领域尺寸比B试样小，根据Hall-Petch关系研究[4]，A试样的焊接接头韧性应高于B试样。

图3 试验后的落锤试样Figure 3 The specimen picture after drop weight test

图4 A试样HAZ宏观金相 图5 B试样HAZ宏观金相Figure 4 The macrostructure of No.A specimen HAZ Figure 5 The macrostructure of No.B specimen HAZ

图6 A试样焊缝微观金相(马氏体) 图7 B试样焊缝微观金相(马氏体)Figure 6 The microstructure of No.A specimen weld (martensite) Figure 7 The microstructure of No.B specimen weld (martensite)

图8 A试样融合线微观金相(马氏体) 图9 B试样融合线微观金相(马氏体)Figure 8 The microstructure of No.A specimen fusion line (martensite) Figure 9 The microstructure of No.B specimen fusion line(martensite)

图10 A试样粗晶区微观金相(马氏体) 图11 B试样粗晶区微观金相(马氏体)Figure 10 The microstructure of No.A specimen coarse grained region (martensite) Figure 11 The microstructure of No.B specimen coarse grained region (martensite)

图12 A试样细晶区微观金相(马氏体) 图13 B试样细晶区微观金相(马氏体)Figure 12 The microstructure of No.A specimen fine grained region (martensite) Figure 13 The microstructure of No.B specimen fine grained region (martensite)

图14 A试样两相区金相(少量马氏体+贝氏体) 图15 B试样两相区金相(马氏体+贝氏体)Figure 14 The microstructure of No.A specimen binary-phas region (martensite and bainite) Figure 15 The microstructure of No.B specimen binary-phase region (a little martensite and bainite)

3 分析结果验证

3.1 按照标准规定的试验方法进行自测试验

自测试验分为两种情况进行，加工好每组8块试样，第一组仍然按照以前的焊接方法进行焊接，另一组则按照改进了的工艺进行焊接。对两组试验结果的验证除了观察落锤试样的断裂情况，还要从两组试样中各选一组试样进行冲击试验，从另一方面验证焊接工艺调整后的材料的韧性变化情况。两组试验的焊接工艺都应符合GB/T680—2008的要求。

第一组试验的焊条选为∅5 mm的D127型，焊接电流预设为190 A。试验后试样有断裂的也有没断裂的。图16为试样试验后的形貌。

对焊道尺寸进行了测量，测量结果如表3所示。对测量结果分析可知，焊道尺寸均较宽，接近标准范围的上限。

对第一组中的试样R1D1进行解剖取其横截面，经过抛光、腐蚀之后，显示出热影响区(HAZ)，如图17所示。再对HAZ尺寸进行测量，其长度约为24.5 mm，宽度为4.4 mm。

最后在落锤试样上截取1组(3个)冲击试样，对其进行-40℃冲击试验，冲击试样的截取方式如图18所示。试验结果分别为：212 J、209 J、271 J，纤维率为97%～100%，断裂方式为韧性断裂。

第二组试样选择∅4 mm的D127焊条(标准规定焊条直径∅4 mm～∅5 mm)，焊接电流预设为180 A，电压为23 V～24 V，焊接速度为130 mm/min ～140 mm/min，焊后置于大块钢板上快冷。在试样加工完毕后和焊接前，在需堆焊焊道的位置划好线，画线宽度为14.5 mm，要求焊工在进行焊接时尽量将焊道控制在画线的范围内。焊接完毕后进行开槽和落锤试验，试验结果为全部合格，没有断裂试样。图19 为试验后的形貌。

图16 第一组试样试验后情况 图17 冲击试样截面宏观照片(第一组)Figure 16 The condition of first group specimens after test Figure 17 The macro photography of cross section of first group impact specimens

表3 第一组自测试样焊道尺寸Table 3 The weld pass size of first group specimens

图18 从试样R1D1上取3个冲击试样示意图Figure 18 The sampling sketch of three impact specimens from R1D1 specimen

对焊道尺寸进行了测量，测量结果如表4所示。对测量结果分析可知，焊道尺寸均较窄，接近标准范围的下限。

对试样R1D1进行解剖取其横截面，经过抛光、腐蚀之后，显示出焊接热影响区(HAZ)，如图20所示。再对HAZ尺寸进行测量，其长度约为22.3 mm，宽度为3.8 mm。

图19 第二组试样试验后情况 图20 冲击试样截面宏观照片(第二组)Figure 19 The condition of second group specimens after test Figure 20 The macro photography of cross section of second group impact specimens

表4 第一组自测试样焊道尺寸Table 4 The weld pass size of first group specimens

同样的，在落锤试样上截取1组冲击试样进行-40℃冲击试验，试验结果分别为：233 J、300 J、283 J，纤维率为100%。本次冲击试验结果较第一组试验更高，从冲击试验的结果也可以看出，第二组试样的韧性要好于第一组，这也和落锤试验的结果相吻合。

3.2 按照调整后的工艺进行产品落锤试验

通过自测试验，发现改进焊道的焊接成型工艺后，明显提高了落锤试验的合格率。因此，对改进后的工艺进行固化，作为制造厂落锤试验焊接的正式工艺。该工艺主要控制点为：(1)试板尺寸严格按标准执行，表面粗糙度为6.3 μm。(2)试板焊道焊接前进行划线，宽度为14.5 mm。(3)焊接模板槽宽为14.5 mm，施焊时和所划线对正。(4)焊条选用∅4 mm焊条。(5)焊接电流为180 A，电压为23 V～24 V。(6)焊接速度为135 mm/min(焊后置于大块钢板上快冷)。

由于自测试样是从热气导管开孔法兰和监督材料这两件锻件上取得，以至于重新热处理后的产品试料不够进行力学性能试验，因此进行了报废重投冶炼。对于重投后的热气导管开孔法兰，上法兰段1(第一次进行力学性能试验)和上支承板两件(第一次进行力学性能试验)的试样按照调整后的焊接工艺和方法进行焊接后，按标准进行落锤试验，其结果全部合格。

4 结论

本文针对高温堆核电站金属堆内构件锻件12Cr2Mo1材料的落锤试验出现不合格的问题，经过试样焊道宏观和微观组织的分析对比，找到了该批锻件落锤试验不合格的主要原因是焊道热影响区太大造成焊缝金属和热影响区金属晶粒粗大。通过自测试验获得了改进的焊接工艺参数并对焊道施焊工艺进行了固化。在产品正式落锤试验中，试验一次合格率明显提高。

[1] ASTM E 208—95a(R2000)，用导向落锤试验测定铁素体钢无塑性转变温度的标准试验方法.

[2] GB/T6803—2008，铁素体钢的无塑性转变温度落锤试验方法.

[3] 史巨元.钢的动态力学性能及应用.北京：冶金工业出版社，1993.12.

[4] 陈士华，邓照军，李平和.超细晶低碳钢热连轧板中的Hall-Petch关系研究.物理测试.2007(7).