一种由低合金高强钢制成的核电设备的焊接修复方法与流程

本发明属于焊接修复技术领域，具体涉及一种无需焊后热处理的在役核电设备的焊接修复方法。

背景技术：

核电设备在高温高压、中子辐照、附加载荷等各种复杂工况环境下服役过程中，由于机械疲劳、应力腐蚀开裂等老化机理的作用使得设备部件的局部产生缺陷，严重影响设备的安全运行。为使设备能正常执行服役功能，常采用焊接修复或更换部件的方法来恢复失效部位的功能。

一回路主设备(反应堆压力容器、蒸发器、稳压器等)通常采用低合金高强度钢材料，常规的焊接修复过程中由于焊接热循环的作用，修复部位焊接热影响区存在硬度高、韧性差的粗晶区(参见图1)，焊接规范都要求采用焊后热处理来改善粗晶区性能。在多层多道焊接过程中，还会出现临界粗晶区。参见图2，临界粗晶区为同一层中后一焊道的临界区与前一焊道形成的粗晶区叠加所形成的区域。研究结果表明，临界粗晶区是整个焊接接头中性能最差的区域，极易引发局部脆化问题，因此有必要采取焊后热处理的方式来消除粗晶区，尤其是临界粗晶区。

然而，一些客观条件限制了焊后热处理的应用：

1)设备的尺寸、结构复杂性、现场的焊接修复条件、热处理的变形等问题使焊后热处理实施难度增加，尤其对于在役设备的焊接修复很多情况下无法实施焊后热处理；

2)核电设备的一回路介质具有放射性，而作为厚壁容器实现焊后热处理往往需要从内、外两侧进行加热，人员剂量严重超标往往限制了焊后热处理的可行性。

因此，迫切需要一种免除焊后热处理的焊接修复低合金高强钢制成的核电设备方法。

技术实现要素：

本发明的目的是为解决由低合金钢制成的核电设备焊接修复过程中造成的热影响区中存在的硬度高、韧性差的薄弱区域，由于客观条件限制，很难甚至无法实施焊后热处理来改善性能的技术问题，提出一种无需焊后热处理来恢复其性能的焊接修复方法。

本发明提出的免除焊后热处理的焊接修复方法，通过有效控制第一层/第二层焊 道的焊接热循环，达到改善母材热影响区粗晶区性能的目的，从而免除焊后热处理。

本发明提供的焊接修复方法采用第二层焊道形成的焊接热循环使第一层焊道形成的母材热影响区的粗晶区实现回火过程。

优选的，所述的第一层焊道覆盖焊接部位的母材，所述第二层焊道及第二层以上的焊道相应的覆盖前一层焊道的焊缝。根据目前焊接的条件，第三层及以上焊道的热影响区不再涉及易脆化的低合金钢母材，而主要是性能优异的焊缝金属，因此，第三层及以上的焊道均无焊接线能量的要求。

优选的，第一层焊道及第二层焊道的焊接线能量为8.25kJ/cm～16.2kJ/cm。根据焊接规范，本领域技术人员可以选择合适的送丝速度，例如16.5cm/min～80cm/min来完成相应的焊接修复。

优选的，第二层焊道形成的焊接热循环使第一层焊道形成的母材热影响区的粗晶区在600℃～700℃之间实现回火处理。

实际焊接制造过程中，与母材相邻的第一层焊道不可避免的出现粗晶区，第一层相邻焊道间还会产生临界粗晶区；参见图3，粗晶区及临界粗晶区的冲击韧性较差、显微硬度较高，是焊接接头中最为薄弱的区域。利用本发明的方法，通过采用合适的焊接线能量,使得第一层焊道的粗晶区和临界粗晶区的峰值温度为600℃～700℃,在该温度下使第一层焊道的粗晶区和临界粗晶区实现回火处理，可以较好的改善粗晶区和临界粗晶区的性能。

优选的，所述焊接采用GTAW焊接方法，焊接采用的填充材料为与修复部位母材匹配的低合金钢TIG焊丝。

本发明通过有效控制第一层/第二层焊道的焊接线能量、焊接送丝速度，使第二层焊道临界区以下的有效回火区域覆盖第一层焊道形成的粗晶区范围，可有效消除粗晶区，特别是临界粗晶区，从而达到对粗晶区的回火。为保证回火效果，焊接线能量应在8.25kJ/cm～16.2kJ/cm。本发明通过控制焊接线能量，得到的焊接接头的热影响区粗晶区的冲击吸收功和常规制造工艺相当，完全可以满足制造质量的需求，无需进行焊后热处理。

附图说明

图1、焊道粗晶区示意图。

图2、同层相邻焊道临界粗晶区示意图。

图3a和图3b分别为热影响区冲击吸收功及显微硬度。

图4a、实施例1焊接接头粗晶区断口照片。

图4b、实施例1焊接接头粗晶区断口形貌。

图5a、实施例1焊接接头粗晶区的显微形貌。

图5b、实施例1焊接接头临界粗晶区的显微形貌。

图6、实施例2焊接试件的断面照片。

图7a、实施例1焊接接头粗晶区的显微形貌。

图7b、实施例1焊接接头临界粗晶区的显微形貌。

图8、本发明焊接修复方法各焊道位置示意图。

具体实施方式

实施例1：

本实施例采用本发明的方法在SA508-3钢锻件的表面进行自动TIG堆焊，母材规格为500mm×500mm×60mm。焊接材料为商用低合金高强钢焊丝，直径为1.2mm。第1层焊道及第2层焊道焊接线能量均为9.9kJ/cm，送丝速度为40cm/min，焊接层数为2层多道，不采取焊后热处理。前述的2层多道焊接示意图参见图8，第一层焊道覆盖焊接部位的母材，所述第二层焊道及第二层以上的焊道相应的填满前一层焊道的焊缝。

对焊接完成后的的粗晶区显微硬度及冲击吸收功试验结果进行测试，其显微硬度HV_0.5为300-323，明显得到了提高，其冲击吸收功KV₂(-20℃)为173-178J，也明显得到了提高。试验结果表明，按照本发明的方法焊接的接头热影响区粗晶区冲击吸收功与经过热处理的性能相当。

参见图4a和图4b，焊接接头的断裂模式为韧性断裂；参见图5a和图5b，焊接接头的粗晶区及临界粗晶区均获得了综合性能优异的回火索氏体组织，粗晶区显微硬度略高于常规工艺接头，但完全满足制造质量要求，当焊接修复过程中难以或无法实施焊后热处理时，完全可以作为免除焊后热处理的焊接修复方法。

实施例2：

采用本发明的方法对60mm厚SA508-3钢锻件表面型缺陷模拟焊接修复，采用自动TIG焊接工艺，母材规格为500mm×500mm×60mm，坡口深度12mm，坡口角度30o，第1层焊道及第2层焊道焊接线能量均为12.6kJ/cm，送丝速度为60cm/min，焊接材料为商用低合金高强钢焊丝，直径为1.2mm。

采用本发明的模拟焊接修复的试件断面照片见图6。

本实施例的粗晶区显微硬度HV_0.5为303-330，并且参见图7a和图7b，晶区及临界粗晶区均获得了综合性能优异的回火索氏体组织。

与常规工艺相比，本发明方法焊接的接头热影响区粗晶区及临界粗晶区均获得了综合性能优异的回火索氏体组织，粗晶区显微硬度略高于常规工艺接头，但完全满足制造质量要求，当焊接修复过程中难以或无法实施焊后热处理时，完全可以作为免除焊后热处理的焊接修复方法。