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摘要：通过调整焊丝氮含量研究了氮含量对308L埋弧焊熔敷金属室温和350 ℃高温拉伸强度的影响，测试了不同氮含量熔敷金属拉伸性能。结果表明：熔敷金属氮含量在0.046%～0.096%范圍内，随着氮含量的增加，熔敷金属室温强度提高;氮含量由0.046%增加至0.077%时，熔敷金属室温强度明显提高;氮含量由0.077%增加至0.096%时，熔敷金属室温强度无明显变化。随着氮含量的增加，熔敷金属350 ℃高温强度呈线性提高，延伸率和断面收缩率等塑性指标无明显变化。通过提高焊丝氮含量解决了308L埋弧焊熔敷金属350 ℃高温抗拉强度偏低的问题，研制出满足三代核电要求的埋弧焊焊材HS308LH+SJ601H。
关键词：埋弧焊;氮含量;350 ℃高温抗拉强度
中图分类号：TG422.3 文献标志码：A 文章编号：1001-2303（2020）12-0100-04
DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.12.21
0 前言
堆内构件吊篮筒体母材材料为304/304H奥氏体不锈钢，常用的焊接方法有热丝TIG焊、焊条电弧焊和埋弧焊等。堆内构件安全等级为非承压机械设备的安全级LS级、抗震类别为Ⅰ类、质量保证分级为Q1级的要求。其工作环境极其恶劣，不仅在高温、高压和强辐照下运行，并且长期承受冷却剂的冲刷及冲刷引起的振动作用。为使堆内构件在核电站设计寿命期内保持良好的性能，确保反应堆的安全运行，保持反应堆结构的完整性和安全性，堆内构件选用的材料极为重要。焊接接头是堆内构件结构上的薄弱环节。其焊接通常采用308L合金系列焊材，目前三代核电技术对350 ℃高温拉伸性能提出了更高的要求，常规308L焊材已无法满足此要求。
国内外已有大量关于氮对金属性能的影响方面的研究，研究方向主要集中在氮的合金化，氮合金化是改善奥氏体不锈钢强度的有效措施[1-2]。MA等[3]研究发现，N的固溶能明显提高材料的屈服强度和抗拉强度，同时不降低其他力学性能和耐腐蚀性能。但是焊接过程中的不平衡凝固造成的偏析将导致焊缝成分组织相对于母材的不均匀，氮不仅能通过固溶来提高焊缝强度，还会改变焊缝组织从而影响焊缝强度。此外，氮在焊缝中不仅以固溶态存在，还可能以氮化物和氮气孔的形式出现，焊缝中通常还会含有少量铁素体，这些因素最终都会影响到焊缝强度，因而氮对焊缝强度的影响是复杂的[4-6]。目前关于氮对308L奥氏体不锈钢焊缝强度的影响的研究还较少，文中采用不同氮含量的三种焊丝研究了氮含量对308L埋弧焊焊材熔敷金属室温和350 ℃高温力学性能的影响。
1 试验材料和方法
试验用3种焊丝HS308LH为自行冶炼生产，规格均为4.0 mm，配套埋弧焊剂为自行研制生产的SJ601H。熔敷金属主要化学成分如表1所示。
试板尺寸符合ASME SFA 5.4 第9节的规定。焊接工艺参数如表2所示。
焊前，试板及垫板均用钢丝刷进行表面清理。试板焊接采用LINKON DC-1000电源及配套焊接设备。室温全熔敷金属拉伸试验按AWS B4.0M标准进行，350 ℃全熔敷金属拉伸试验按ASTM E21标准进行，试样直径φ12.5 mm。
2 试验结果及分析
2.1 熔敷金属室温拉伸性能
氮在焊缝中主要以固溶态存在，在奥氏体不锈钢中，氮是最有效的固溶强化元素之一。研究表明，氮的大量加入可使奥氏体不锈钢达到非常高的强度，塑性略微下降[8]。Pickering等人[9]将 88 种不同奥氏体不锈钢的合金成分同强化机制联系起来，回归出如式（1）所示的奥氏体不锈钢强度预测方程
回归方程表明：在奥氏体不锈钢中，氮的强化能力约为碳的1.6倍、钛的18倍、钼的45倍，氮在奥氏体中的固溶， 显著提高了焊缝金属的强度。N不但能引起FCC晶格畸变，还能在奥氏体不锈钢中引起更强的位错钉扎力，并导致奥氏体中的层错堆垛能的降低。因此，N能有效提高奥氏体不锈钢的屈服强度和抗拉强度。Labusch研究结果表明，奥氏体不锈钢强度与（N原子分数）2/3呈线性关系，强度与N含量的关系见式（1）;国内相关研究表明，每增加0.0l%的N，奥氏体不锈钢的室温强度将提高6～10 MPa。但是当焊缝中w（N）超过其固溶度极限时，容易出现氮气孔和氮化物，从而影响焊缝强度。SWIKA[7]建立了氮在液态Fe-N-X系合金中的溶解度表达式，依次计算氮在308L不锈钢中凝固温度的最大溶解度约为0.2%，试验中3种焊丝熔敷金属中均未观察到氮气孔和氮化物，3种熔敷金属焊态显微组织如图1所示，由图1可知，熔敷金属组织为奥氏体+δ-铁素体，未见明显差异。因此可以认为本试验中氮在熔敷金属中全部以固溶态存在，无析出强化等因素影响熔敷金属强度。
试验测试了3种熔敷金属室温拉伸性能，结果如表3所示。可以看出，熔敷金属氮含量由0.046%增加到0.077%时，其屈服强度随氮含量的增加提高了44 MPa，平均每增加0.01% w（N）屈服强度提高约14 MPa，但是熔敷金属氮含量由0.077%增加到0.096%时，熔敷金属屈服强度无明显变化。熔敷金属氮含量由0.046%增加到0.077%时，其抗拉强度提高了47 MPa，平均每增加0.01% w（N）抗拉强度提高约15 MPa，但是熔敷金属氮含量由0.077%增加到0.096%时，熔敷金属抗拉强度无明显变化。
由此可见，w（N）在0.046%～0.096%范围内时，随着氮含量的增加，熔敷金属强度有所提高，氮含量增加至0.077%后强度趋于稳定，如图2所示。熔敷金属塑性随氮含量的增加而降低。
2.2 熔敷金属高温拉伸性能
试验测试了3种焊丝熔敷金属350 ℃高温拉伸性能，结果如表4所示。可以看出，1#焊丝熔敷金属抗拉强度不满足三代核电要求，2#和3#焊丝熔敷金属抗拉强度满足三代核电要求。熔敷金属氮含量由0.046%增加到0.096%时，其350 ℃屈服强度和抗拉强度均随氮含量的增加而提高，平均每增加0.01% w（N），其屈服强度提高约13.5 MPa，抗拉强度提高约11 MPa。臧华勋等[6]研究表明：氮在TP347H奥氏体不锈钢高温持久蠕变过程中可以抑制奥氏体晶粒的长大和铁素体相的形成。但过多的氮可能会形成脆性的Cr2N相。因此在奥氏体不锈钢中添加适量的氮可以明显改善其高温持久性能 。 由此可见，当w（N）在0.046%～0.096%范围内时，随着氮含量的增加，熔敷金属350 ℃屈服強度和抗拉强度随氮含量的增加呈线性增加，如图3所示。对塑性无明显影响。为了满足三代核电350 ℃高温拉伸抗拉强度大于等于395 MPa的要求，w（N）需控制在0.077%以上。
3 结论
（1）对于308L焊接材料，随着熔敷金属中氮含量的增加，熔敷金属室温强度提高。w（N）由0.046%增加至0.077%时，平均每增加0.01% w（N）抗拉强度提高约15 MPa，但当w（N）由0.077%增加到0.096%时，熔敷金属抗拉强度无明显变化。
（2）w（N）在0.046%～0.096%范围内，随着氮含量的增加，熔敷金属350 ℃屈服强度和抗拉强度呈线性提高。w（N）>0.077%以上时可保证满足三代核电高温拉伸性能要求。
（3）通过控制焊丝中氮含量解决了 308L埋弧焊熔敷金属350 ℃高温抗拉强度偏低问题，研制出满足三代核电要求的埋弧焊焊材HS308LH+SJ601H。
参考文献：
[1] 张田宏，杜义. 碳和氮元素对高强度奥氏体焊缝组织和性能的影响[J]. 焊接学报，2007，28（7）：82-84.
[2] 郎宇平，康喜范. 氮对奥氏体不锈钢力学性能和腐蚀性能影响的研究[A]. 第三届北京冶金年会论文集[C]. 北京：2002.
[3] MA L M，LI Y X，LIANG G J. Effect of hydrogen on 21-7-9 austenitic steel at low temperature[C]. Advances inCryogenic Engineering，1988（34）：325-333.
[4] 刘金湘，孙凡，俞增强，等. 核级高温液态金属泵用奥氏体不锈钢窄间隙细丝埋弧焊焊接工艺技术研究[J]. 电焊机，2019，49（6）：56-60.
[5] 仲崇惠，包晔峰，陈辉. 氮元素对不锈钢堆焊层抗腐蚀性能的影响[J]. 电焊机，2018，48（5）：101-104.
[6] 臧华勋，罗林，徐刚，等. 氮对TP347H耐热奥氏体不锈钢室温拉伸和高温持久性能的影响[J]. 钢铁，2009，44（8）：81-84.
[7] SIWKA J. Nitrogen solubility in liquid iron alloys contai-ning High amounts of chromium and manganese in hyper-baric conditions[J]. Arch.， Metall.，1990，35（3）：449-461
[8] 杨钢，刘正东，程世长. 氮含量对0Cr19Ni9N不锈钢锻件力学性能的影响[J]. 钢铁研究学报，2003，15（2）：34-37.
[9] Pickerring F B. Some beneficial effects of nitrogen in steel[C]. France：Conference HNS-88，1988
收稿日期：2020-07-26
作者简介：邹小平（1986— ），男，硕士，工程师，主要从事核电焊接相关技术的研究。E-mail：zouxiaoping@cgnpc.com.cn。
关键词：埋弧焊;氮含量;350 ℃高温抗拉强度
中图分类号：TG422.3 文献标志码：A 文章编号：1001-2303（2020）12-0100-04
DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.12.21
0 前言
堆内构件吊篮筒体母材材料为304/304H奥氏体不锈钢，常用的焊接方法有热丝TIG焊、焊条电弧焊和埋弧焊等。堆内构件安全等级为非承压机械设备的安全级LS级、抗震类别为Ⅰ类、质量保证分级为Q1级的要求。其工作环境极其恶劣，不仅在高温、高压和强辐照下运行，并且长期承受冷却剂的冲刷及冲刷引起的振动作用。为使堆内构件在核电站设计寿命期内保持良好的性能，确保反应堆的安全运行，保持反应堆结构的完整性和安全性，堆内构件选用的材料极为重要。焊接接头是堆内构件结构上的薄弱环节。其焊接通常采用308L合金系列焊材，目前三代核电技术对350 ℃高温拉伸性能提出了更高的要求，常规308L焊材已无法满足此要求。
国内外已有大量关于氮对金属性能的影响方面的研究，研究方向主要集中在氮的合金化，氮合金化是改善奥氏体不锈钢强度的有效措施[1-2]。MA等[3]研究发现，N的固溶能明显提高材料的屈服强度和抗拉强度，同时不降低其他力学性能和耐腐蚀性能。但是焊接过程中的不平衡凝固造成的偏析将导致焊缝成分组织相对于母材的不均匀，氮不仅能通过固溶来提高焊缝强度，还会改变焊缝组织从而影响焊缝强度。此外，氮在焊缝中不仅以固溶态存在，还可能以氮化物和氮气孔的形式出现，焊缝中通常还会含有少量铁素体，这些因素最终都会影响到焊缝强度，因而氮对焊缝强度的影响是复杂的[4-6]。目前关于氮对308L奥氏体不锈钢焊缝强度的影响的研究还较少，文中采用不同氮含量的三种焊丝研究了氮含量对308L埋弧焊焊材熔敷金属室温和350 ℃高温力学性能的影响。
1 试验材料和方法
试验用3种焊丝HS308LH为自行冶炼生产，规格均为4.0 mm，配套埋弧焊剂为自行研制生产的SJ601H。熔敷金属主要化学成分如表1所示。
试板尺寸符合ASME SFA 5.4 第9节的规定。焊接工艺参数如表2所示。
焊前，试板及垫板均用钢丝刷进行表面清理。试板焊接采用LINKON DC-1000电源及配套焊接设备。室温全熔敷金属拉伸试验按AWS B4.0M标准进行，350 ℃全熔敷金属拉伸试验按ASTM E21标准进行，试样直径φ12.5 mm。
2 试验结果及分析
2.1 熔敷金属室温拉伸性能
氮在焊缝中主要以固溶态存在，在奥氏体不锈钢中，氮是最有效的固溶强化元素之一。研究表明，氮的大量加入可使奥氏体不锈钢达到非常高的强度，塑性略微下降[8]。Pickering等人[9]将 88 种不同奥氏体不锈钢的合金成分同强化机制联系起来，回归出如式（1）所示的奥氏体不锈钢强度预测方程
回归方程表明：在奥氏体不锈钢中，氮的强化能力约为碳的1.6倍、钛的18倍、钼的45倍，氮在奥氏体中的固溶， 显著提高了焊缝金属的强度。N不但能引起FCC晶格畸变，还能在奥氏体不锈钢中引起更强的位错钉扎力，并导致奥氏体中的层错堆垛能的降低。因此，N能有效提高奥氏体不锈钢的屈服强度和抗拉强度。Labusch研究结果表明，奥氏体不锈钢强度与（N原子分数）2/3呈线性关系，强度与N含量的关系见式（1）;国内相关研究表明，每增加0.0l%的N，奥氏体不锈钢的室温强度将提高6～10 MPa。但是当焊缝中w（N）超过其固溶度极限时，容易出现氮气孔和氮化物，从而影响焊缝强度。SWIKA[7]建立了氮在液态Fe-N-X系合金中的溶解度表达式，依次计算氮在308L不锈钢中凝固温度的最大溶解度约为0.2%，试验中3种焊丝熔敷金属中均未观察到氮气孔和氮化物，3种熔敷金属焊态显微组织如图1所示，由图1可知，熔敷金属组织为奥氏体+δ-铁素体，未见明显差异。因此可以认为本试验中氮在熔敷金属中全部以固溶态存在，无析出强化等因素影响熔敷金属强度。
试验测试了3种熔敷金属室温拉伸性能，结果如表3所示。可以看出，熔敷金属氮含量由0.046%增加到0.077%时，其屈服强度随氮含量的增加提高了44 MPa，平均每增加0.01% w（N）屈服强度提高约14 MPa，但是熔敷金属氮含量由0.077%增加到0.096%时，熔敷金属屈服强度无明显变化。熔敷金属氮含量由0.046%增加到0.077%时，其抗拉强度提高了47 MPa，平均每增加0.01% w（N）抗拉强度提高约15 MPa，但是熔敷金属氮含量由0.077%增加到0.096%时，熔敷金属抗拉强度无明显变化。
由此可见，w（N）在0.046%～0.096%范围内时，随着氮含量的增加，熔敷金属强度有所提高，氮含量增加至0.077%后强度趋于稳定，如图2所示。熔敷金属塑性随氮含量的增加而降低。
2.2 熔敷金属高温拉伸性能
试验测试了3种焊丝熔敷金属350 ℃高温拉伸性能，结果如表4所示。可以看出，1#焊丝熔敷金属抗拉强度不满足三代核电要求，2#和3#焊丝熔敷金属抗拉强度满足三代核电要求。熔敷金属氮含量由0.046%增加到0.096%时，其350 ℃屈服强度和抗拉强度均随氮含量的增加而提高，平均每增加0.01% w（N），其屈服强度提高约13.5 MPa，抗拉强度提高约11 MPa。臧华勋等[6]研究表明：氮在TP347H奥氏体不锈钢高温持久蠕变过程中可以抑制奥氏体晶粒的长大和铁素体相的形成。但过多的氮可能会形成脆性的Cr2N相。因此在奥氏体不锈钢中添加适量的氮可以明显改善其高温持久性能 。 由此可见，当w（N）在0.046%～0.096%范围内时，随着氮含量的增加，熔敷金属350 ℃屈服強度和抗拉强度随氮含量的增加呈线性增加，如图3所示。对塑性无明显影响。为了满足三代核电350 ℃高温拉伸抗拉强度大于等于395 MPa的要求，w（N）需控制在0.077%以上。
3 结论
（1）对于308L焊接材料，随着熔敷金属中氮含量的增加，熔敷金属室温强度提高。w（N）由0.046%增加至0.077%时，平均每增加0.01% w（N）抗拉强度提高约15 MPa，但当w（N）由0.077%增加到0.096%时，熔敷金属抗拉强度无明显变化。
（2）w（N）在0.046%～0.096%范围内，随着氮含量的增加，熔敷金属350 ℃屈服强度和抗拉强度呈线性提高。w（N）>0.077%以上时可保证满足三代核电高温拉伸性能要求。
（3）通过控制焊丝中氮含量解决了 308L埋弧焊熔敷金属350 ℃高温抗拉强度偏低问题，研制出满足三代核电要求的埋弧焊焊材HS308LH+SJ601H。
参考文献：
[1] 张田宏，杜义. 碳和氮元素对高强度奥氏体焊缝组织和性能的影响[J]. 焊接学报，2007，28（7）：82-84.
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[4] 刘金湘，孙凡，俞增强，等. 核级高温液态金属泵用奥氏体不锈钢窄间隙细丝埋弧焊焊接工艺技术研究[J]. 电焊机，2019，49（6）：56-60.
[5] 仲崇惠，包晔峰，陈辉. 氮元素对不锈钢堆焊层抗腐蚀性能的影响[J]. 电焊机，2018，48（5）：101-104.
[6] 臧华勋，罗林，徐刚，等. 氮对TP347H耐热奥氏体不锈钢室温拉伸和高温持久性能的影响[J]. 钢铁，2009，44（8）：81-84.
[7] SIWKA J. Nitrogen solubility in liquid iron alloys contai-ning High amounts of chromium and manganese in hyper-baric conditions[J]. Arch.， Metall.，1990，35（3）：449-461
[8] 杨钢，刘正东，程世长. 氮含量对0Cr19Ni9N不锈钢锻件力学性能的影响[J]. 钢铁研究学报，2003，15（2）：34-37.
[9] Pickerring F B. Some beneficial effects of nitrogen in steel[C]. France：Conference HNS-88，1988
收稿日期：2020-07-26
作者简介：邹小平（1986— ），男，硕士，工程师，主要从事核电焊接相关技术的研究。E-mail：zouxiaoping@cgnpc.com.cn。