SA508-3低合金钢窄间隙室温自动回火焊道工艺技术研究
叶义海柏忠炼李诗易徐少峰朱勇辉

中国核动力研究设计院，四川成都 610041

摘要：针对核电厂SA508-3低合金钢窄间隙室温自动回火焊接工艺开发技术难题，本文通过单道焊工艺试验，获得了组织劣化区范围及组织分布，通过ABAQUS温度场仿真计算，确定了250℃～650℃有效回火区域范围，并以此为输入，采用数学方法建立了回火焊道工艺参数设计方法。在宽度仅为16.5mm的窄间隙试验件上开展工艺验证，结果表明，采用设计的4层回火焊接工艺参数可将劣化区组织完全改善为回火马氏体、回火屈氏体和回火索氏体，热影响区显微硬度均低于350HV。本文研究表明，仅采用单道焊试验与温度场仿真计算相结合的方式，就能可靠高效的进行室温回火焊道工艺开发。

关键词：焊接工艺；回火焊接；低合金钢；工艺仿真

中图分类号：TG44

低合金钢作为核电厂部分关键设备的本体材料，在制造阶段，通过表面堆焊不锈钢耐蚀层及焊后热处理，实现在保证结构强度的基础上提高抗腐蚀性能。

回火焊道焊接技术（TBW—Temper Bead Welding）被开发应用于低合金钢或碳钢的焊接，可以在免除焊后热处理的情况下，降低接头硬度，改善热影响区组织，改善接头残余应力，提升接头抗裂性能^[1-2]。ASME Code Case N-740-2 附录I的出现，可在室温条件下，实现低合金钢的回火焊道焊接，且不采取任何热处理的方式，成为了核电厂一回路涉及低合金钢部件焊接维修的有力技术手段。

国内外，针对室温回火焊道焊接技术开展了广泛深入的研究，叶义海^[3]等人研究了SA508-3钢上回火堆焊镍基合金不同堆焊层数焊趾、中部HAZ组织转变规律，揭示了HAZ组织从马氏体转变为回火马氏体、回火索氏体、回火托氏体规律；唐威^[4]研究了采用回火焊道焊接技术用Ni690焊条在A508-3钢表面堆焊接头组织和性能，与常规焊后热处理相比，回火焊道技术能够降低接头粗晶区和马氏体带的硬度；胡忠全^[5]等人对SA508-Gr.3钢采用变参数回火TIG焊，即第二层参数对首层HAZ起调质作用，第3层参数对首层HAZ区起回火作用，实现了HAZ粗晶区和临界粗晶区均为回火索氏体组织。金亮^[6]等人对反应堆压力容器用低合金钢开展150℃焊前预热和室温下的TIG回火焊道工艺试验，表明在室温下的回火焊道工艺同样可获得组织和性能较好的焊接接头，即室温回火焊道技术能够实现焊后免热处理。秦建^[7]等人研究得出回火焊道搭接量在40%～60%有利于焊道平直和组织均匀分布。司佳鑫^[8]等人介绍了回火焊道工艺制定、优化和评定的进展，表明物理实验开发回火焊道工艺具有周期长和试验难度大的问题。秦建等人^[9]通过焊接热模拟试验确定了回火区温度范围，结合温度场计算解析式，提出了核电用SA508-3钢GTAW回火焊道工艺窗口。

本文通过试验与ABAQUS温度场仿真分析相结合的方式，开展核电用SA508-3低合金钢窄间隙室温回火焊接工艺研究，实现狭小空间内回火工艺参数的准确设计及焊后回火组织的精准调控。

1 实验方法

1.1 试验材料

试验用母材为核电用SA508-3低合金钢锻件，组织为调质态粒状贝氏体，金相组织见图1所示，试验件尺寸为300mm×300mm×50mm的平板。焊材为φ1.0mm的ER308L不锈钢焊丝。母材和焊材的化学成分分别见表1和表2所示。

1.2 试验方法及参数

室温条件下在平板试验件上进行单道TIG焊试验，采用纯度为99.99%的Ar气，流量为15L/min～20L/min；焊道搭接量设置为60%，层/道温度控制在66℃以下，焊接参数详见表3所示。

金相截面试样采用3%硝酸酒精溶液侵蚀，硬度分析采用金相试样，压力为10Kgf，保压15s。根据单道焊截面金相形貌提取焊缝余高、组织劣化区范围。采

表1 SA508-3化学成分（wt.%）

C	Mn	P	S	Si	Ni	Cr	Mo	V	Fe
≤0.25	1.20-1.50	≤0.025	≤0.025	0.15-0.40	0.40-1.00	≤0.25	0.45-0.60	≤0.05	Bal.

表2 ER308L化学成分（wt.%）

C	Mn	P	S	Si	Ni	Cr	Mo	Cu	N	Fe
0.01	1.9	0.02	0.01	0.42	10.0	19.8	0.1	0.1	0.05	Bal.

表3 单道焊工艺参数

工艺代号	脉冲电流I峰/I基(A)	电压U(V)	脉冲比t基/t峰(ms)	焊速v焊(mm/min)	送丝v丝(mm/min)
d1	220/120	10～15	200/200	150	500/600/700/800
d2	200/109	10～15	200/200	120	500/600/700/800
d3	180/98	10～15	200/200	120	500/600/700/800
d4	180/98	10～15	200/200	140	500/600/700/800
d5	200/109	10～15	200/200	140	500/600/700/800

用单道焊后熔池形貌校核热源模型，利用ABAQUS仿真计算不同参数下单道焊HAZ温度在250℃～660℃范围的中高温回火区域宽度，即有效回火温度区域^[10]。然后根据不同参数下的焊道形貌尺寸、有效回火温度区间，建立数学分析模型进行室温回火工艺设计；最终采用获得的回火工艺开展狭窄坡口内的回火工艺效果验证。

图1 母材粒状贝氏体组织

2 结果与讨论

2.1 单道焊工艺试验

2.1.1 单道截面金相组织分析

由图3（a）和（b）可知，A区组织为典型的粗大的板条马氏体组织，因为A区邻近热源中心位置，温度在Ac3以上，母材组织完全奥氏体化，且晶粒过热长大，在随后冷却过程中发生马氏体转变。图3（c）和（d）组织形貌上仍保持马氏体形貌特征，单是晶粒内未见明显的板条特征，分析认为B区域温度在Ac3～1100℃的正火区，在冷却过程形成了细小的隐晶马氏体。位于黑色轮廓带两侧的C区和D区，金相组织具有相似性，见图3（f）和（h）所示，组织包括灰色的隐晶马氏体、白色的铁素体以及少量褐色的残余奥氏体组织。分析认为C区和D区域主要属于Ac1～Ac3的不完全淬火区，原始组织部分转变为奥氏体，在加热过程中，部分铁素体以原岛状富碳奥氏体（粒状贝氏体）为核心奥氏体化，在随后的冷却过程中，转变为马氏体，及部分未转变保留至室温的残余奥氏体。区域温度越高，奥氏体转变成马氏体占比越高，C区域比D区域更靠近熔池，停留在更高温度范围，因此从金相上表现为C区以隐晶马氏体组织为主，D区以铁素体为主。在D区域黑色轮廓线与母材组织未受影响的狭窄的过渡区域内，观察到铁素体内部的富碳岛状奥氏体明显减少，并在白色铁素体晶界处析出近似球状、棒状的碳化物。分析认为该区域为660℃～Ac1狭窄温度范围，原始母材组织经历高温回火产生的回火索氏体组织以及冷却过程富碳奥氏体转变的隐晶马氏体。E区域位于黑色轮廓以外660℃～室温区域，组织表现为与母材组织一样的粒状贝氏体组织，见图3（i）和（j）所示。这是由于原始母材组织为淬火加660℃回火热处理的调质组织，因此在低于原调质处理温度时，未观察到组织变化。

对热影响区到基体母材进行显微硬度分析，从横向和纵向两个方向测试，结果详见图4所示，黑色轮廓线以内显微硬度超过350HV，黑色轮廓线以外区域显微硬度为210HV左右，接近基体母材硬度，显微硬度分析与组织分析具有一致性。

综上分析，单道焊后的组织与分布详见图5和表4所示。通过对单道焊焊缝截面金相组织分析得出，焊接SA508-III钢时，黑色轮廓线以内均含有马氏体组织，为焊后组织劣化区，即是需要回火焊接组织调控的主要区域。低合金钢在约250℃～650℃范围的中高温回火区，组织主要为综合力学性能较好的回火屈氏体和回火索氏体，因此本文以250℃～650℃温度区间作为焊接热作用的有效回火区间开展回火焊道工艺设计输入。

图2 d2#500单道焊后截面宏观形貌

（a）A区放大200倍

（b）A区放大1000倍

（c）B区放大200倍

（d）B区放大1000倍

（e）C区放大200倍

（f）C区放大1000倍

（g）D区放大200倍

（h）D区放大1000倍

（i）E区放大200倍

（j）E区放大1000倍

图3 热影响区不同区域微观组织形貌

图4 截面金相横向和纵向显微硬度分布

图5 单道焊缝截面金相组织分布与温度范围示意图

表4热影响区组织

区域	温度区间	主要金相组织	备注
A	1100℃～熔点	粗大马氏体	劣化区
B	Ac3～1100℃	隐晶马氏体	劣化区
C	Ac1～Ac3	隐晶马氏体	劣化区
D	660℃～Ac1	隐晶马氏体回火索氏体	回火区
E	660℃～室温	粒状贝氏体	母材区

2.1.2 ABAQUS焊接温度场仿真计算

鉴于单道焊后金相组织无法通过组织辨识250℃～650℃的有效回火温度区间宽度，本文采用ABAQUS仿真计算有效回火区间范围。首先通过熔池校核，获得准确的热源模型参数，然后通过软件计算确定该不同焊接工艺参数在平板试验件上的有效回火温度宽度范围，为后续回火工艺设计提供数据输入。

（1）热源模型

对于本项目采用的自动钨极氩弧焊，为求更准确地表达热源模型，采用Goldak等人提出的双椭球形模型进行描述，如图6所示，该模型不仅可以考虑热源在厚度方向的热效应，同时也兼顾了焊接电弧的挖掘和搅拌效应，能够比较接近实际焊接过程的热流分布。数学表示如下：

（a）

（b）

（c）

Q=ηUI （d）

其中a，b，c为椭球形状参数，η为热源效率，U为电弧电压，I为焊接电流，f1和f2椭球前半部分及后半部分的能量分数。

图6 双椭球形热源分布模型

（2）材料属性

数值模拟需要设置的材料属性，包括各材料随温度变化的热物理性能及力学性能参数^[11-13]，比如密度、导热系数、比热容、热膨胀系数、弹性模量等，SA508-3钢ER308L的材料物理参数详见图7所示。

（a）SA508-3钢热物理性能

（b）308L不锈钢热物理性能

图7 材料物理性能

（3）有限元模型建立及热源校核

根据表4中的焊接工艺参数，首先开展热源校核，进行初始运算，观察数值模拟中的熔池形状，不断迭代运算，最终获得同实际熔池形状接近一致的热源模型。如d4#800熔池对比图，见图8所示。

图8 熔池截面对比图

（4）单道焊温度场模拟结果

图9为d2#600、d3#700、d4#800参数单道焊后的温度场分析结果，三个焊接工艺参数在50mm试件上，热影响区温度在250℃～600℃区域宽度分别为4.60mm、3.98mm和3.50mm。

（a）d2#600单道焊温度场分析结果

（b）d3#700单道焊温度场分析结果

（c）d4#800单道焊温度场分析结果

图9 不同工艺参数单道焊温度场分析结果

2.2 狭窄空间室温回火焊道工艺开发

2.2.1 狭窄空间室温回火焊道设计方法

针对待焊坡口狭窄的试验件，见图10所示，开展室温回火焊道设计。焊道搭接率控制在50%～70%范围，道间温度控制在66℃以下。在宽度仅16.5mm的凹坑内要实现道间、层间的良好回火效果。工艺设计策略如下：

（1）堆焊首层产生的劣化区（黑色轮廓线区域）应尽可能浅，劣化区深度以黑色轮廓线最低点确定；

（2）以回火屈氏体和回火索氏体为主的组织作为热影响区组织调控目标；

（3）回火堆焊层尽可能少。

对多层多道焊过程简化并作如下假设：

（1）每道焊缝在母材和前层焊缝上的热影响效果一致，同单道焊热影响效果，且250℃～650℃区域为均匀等宽环带区；

（2）以单道焊的余高作为单层焊缝厚度。

根据上述工艺设计策略和假设，按照回火焊道原理，以待焊表面作为参考面，建立如下回火工艺计算方法：

（1）第二层焊后，劣化区抬升高度=第一层劣化区深度-（第二层劣化区深度-第一层厚度）；劣化区抬升高度<第二层有效回火范围（ABAQUS温度场分析计算给出）；（n）第n层焊后，劣化区抬升高度=第（n-1）层劣化区深度-（第n层劣化区深度-第一层厚度-第二层厚度--第（n-1）层厚度）；且劣化区抬升高度<第n层有效回火范围（ABAQUS温度场分析给出）。

直到最后一层焊后劣化区高于原始母材表面时，母材低合金钢侧将不发生奥氏体向铁素体的转变，劣化区被完全纠正。

图10 狭窄待焊坡口试验件

2.2.2 室温回火焊道工艺计算

对表3中焊接工艺参数黑色轮廓线和焊缝余高数据化，见图11所示。可知，d4#800参数的黑色轮廓线最浅，深度约为2.46mm，熔宽6.23mm，可作为首层堆焊参数。采用表3中焊接工艺参数按照2.2.1章节进行计算确定第2层、第3层、第n层的参数。结果表明，第一层采用d4#800参数，第二层采用d2#600参数，第三层采用d2#600参数，第四层采用d3#700参数，堆焊四层可实现首层劣化区组织的完全纠偏，即每一层堆焊后，劣化区抬升的高度均小于该层产生的有效回火宽度范围内（ΔW大于0），如表6所示。

图11 单道焊劣化区及焊缝余高数据

表5 焊缝形貌参数

	焊缝余高（mm）	熔宽（mm）	ABAQUS计算250℃～650℃宽度W1（mm）
d4#800	1.06	6.23	3.50
d2#600	0.81	7.20	4.60
d3#700	1.12	6.31	3.98

表6 回火焊道工艺参数计算

	劣化区深度（mm）	劣化区抬升高度W2（mm）	ΔW=W1-W2 （mm）	剩余劣化区宽度（mm）
第一层（d4#800）	2.41	/	/	2.41
第二层（d2#600）	3.03	0.44	4.16	1.97
第三层（d2#600）	3.03	0.81	3.79	1.16
第四层（d3#700）	2.65	1.19	2.79	-0.03

2.3 窄间隙室温回火焊道工艺验证

采用表6的回火工艺参数开展验证试验，图12为试验件回火堆焊后截面金相宏观形貌，4层焊后，堆焊首层的黑色轮廓线已经模糊，整个接头无未熔合、裂纹、夹杂等缺陷。对凹槽的角部（图12中的A区和B区），以及中部（图12中B区）进行微观组织和显微硬度分析，图13为角部A区从邻近熔合线至母材区的微观金相组织，图13（a）和（b）邻近熔合线热影响区（HAZ）可知，该区域微观组织为细小的隐晶马氏体经回火历程转变的回火马氏体，以及少量的回火屈氏体（白色铁素体基体内分布着极为细小的碳化物）。在图13（a）下方的区域，能够隐约看到上一层焊缝留下的较浅的黑色轮廓线，见图13（c）所示。图13（d）中组织仍然为回火马氏体和回火屈氏体。图13（e）和（f）组织主要为回火马氏体和回火索氏体，以及部分未受影响的母材粒状贝氏体。图13（e）和（f）组织组织完全为与母材一致的粒状贝氏体，该区域未受影响。同时该区域从焊缝至母材区域的显微硬度结果表明（图2-15所示），显微硬度均低于350HV。表明角部区域A区，经计算获得的4层回火焊接工艺焊后组织均实现了回火效果，无硬脆马氏体劣化组织。

图12 试验件焊后宏观金相

（a）A区邻近熔合线区域放大200倍

（b）A区邻近熔合线区域放大1000倍

（c）A区上层黑色轮廓线放大200倍

（d）A区上层黑色轮廓线放大1000倍

（e）A区下层黑色轮廓线放大200倍

（f）A区下层黑色轮廓线放大1000倍

（g）A区邻近母材HAZ放大200倍

（h）A区邻近母材HAZ放大1000倍

图13 模拟件焊后A区角部金相组织分析

图14（a）和（b）为C区角部区域邻近母材熔合线区域，该区域组织粗大，保留有马氏体组织形态，但是晶粒内的层片已经不明显，组织特征表现为回火马氏体。图图14（c）和（d）为较浅的黑色轮廓线，组织为较为细小的回火马氏体和回火屈氏体。图图14（e）和（f）组织以回火索氏体为主，并有少量的回火马氏体。图图14（g）和（h）组织与母材粒状贝氏体一致，表明该区域未受焊接过程热影响。同时对C区域的显微硬度进行分析（结果如图2-15所示），从热影响区至母材的显微硬度呈逐渐下降趋势，邻近熔合线区域显微硬度最高，但仍未超过350HV。设计的参数具有可靠性。

（a）C区邻近母材HAZ放大200倍

（b）C区邻近母材HAZ放大1000倍

（c）C区上层黑色轮廓线放大200倍

（d）C区上层黑色轮廓线放大1000倍

（e）C区下层黑色轮廓线放大200倍

（f）C区下层黑色轮廓线放大1000倍

（g）C区邻近母材HAZ区放大200倍

（h）C区邻近母材HAZ区放大1000倍

图14 试验件焊后C区角部微观组织分析

图15（a）和（b）为中部邻近熔合线区域，该区域主要为回火马氏体和回火索氏体组织。图15（c）和（d）中能观察到非常浅的黑色轮廓线，组织主要为细小的回火马氏体和少量的回火屈氏体。图15（e）和（f）为下层的黑色轮廓线，组织主要细小的回火马氏体和母材粒状贝氏体。并对中部区域进行了3次显微硬度测试，测试结果表明热影响区显微硬度全部低于350HV。

综上所述，试验件凹槽的角部、中部均实现了组织调控。但在角部热影响区能够观察到浅色的黑色轮廓线，分析认为这是由于角部与中部在散热方面存在差异导致回火效果不同。总体上，焊后热影响区组织调控为回火马氏体、回火屈氏和回火索氏体，且焊后热影响区显微硬度均低于350HV。试验结果表明，采用计算与仿真相结合的室温回火焊道工艺设计方法，具有可靠性和可实施性，为窄间隙室温回火焊道工艺开发提供了新方法。

（a）B区邻近母材HAZ放大200倍

（b）B区邻近母材HAZ放大1000倍

（c）B区上层黑色轮廓线放大200倍

（d）B区上层黑色轮廓线放大1000倍

（c）B区下层黑色轮廓线放大200倍

（d）B区下层黑色轮廓线放大1000倍

（g）B区邻近母材HAZ区放大200倍

（h）B区邻近母材HAZ区放大1000倍

图15 试验件焊后中部B区显微组织分析

图16 试验件焊后不同区域热影响区显微硬度

3 结论

针对狭窄空间室温回火焊道工艺开发技术难题，本文通过单道焊工艺试验，结合ABAQUS温度场分析，设计了通过数学模型计算的方式输出回火工艺参数；该方法经工艺试验验证结果表明，焊后SA508-3钢热影响区组织可完全改善为回火马氏体、回火屈氏体和回火索氏体。采用设计的回火工艺开发方法具有可行性和可靠性，且能够极大的提升回火工艺开发效率和节约成本。

参考文献

[1]吕晓春,秦建,杜兵.回火焊道焊接技术的研究进展[J],焊接,2014.

[2]张亦良,石显,赵建平.基于新型回火焊道的焊接残余应力评价[J],焊接学报,2012.

[3]叶义海,罗绪珍,王建.低合金钢自动回火焊接过程中热影响区组织转变[J],电焊机,2018.

[4]唐威,A508-3钢回火焊道接头组织和性能[J],焊接,2021.

[5]胡忠全,郭利峰.SA508-Gr.3钢变参数回火焊道焊接接头组织与性能[J],焊接,2015.

[6]金亮,匡艳军,黄腾飞.反应堆压力容器用低合金钢回火焊道工艺试验研究[J],焊接工艺,2020.

[7]秦建,李世乾,张汇文.SA508-3钢回火焊道技术焊道搭接量的分析[J],焊接学报,2017.

[8]司佳鑫,吕晓春,马一鸣.回火焊道焊接技术的研究与应用现状[J],科技关注,2019.

[9]秦建,核电用SA508-3钢回火焊道焊接技术的研究[D],2014.

[10]胡光立,谢希文,钢的热处理(原理和工艺)[B],2016.

[11]徐少峰.核级支管座焊缝结构堆焊修复数值模拟及残余应力分析[J],电焊机,2021.

[12]葛可可.核电蒸汽发生器安全端异种钢焊接残余应力研究[D].天津:天津大学,2016.

[13]吕刘帅.镍基合金环形焊接模拟及其在结构失效评估中的应用[D].北京:中国科学院大学,2019.

SA508-3低合金钢窄间隙室温自动回火焊道工艺技术研究

叶义海1柏忠炼1李诗易1徐少峰1朱勇辉1

叶义海¹柏忠炼¹李诗易¹徐少峰¹朱勇辉¹