核電站鋼制安全殼自動焊與手工焊工藝研究

■ 王世杰，王海東，李青霞，潘國偉

1.概述

鋼制安全殼（C V，Containment Vessel）是核電站反應堆第三道安全屏障，也是最后一道安全屏障。我國在建的AP1000三代核電機組，現(xiàn)場鋼制安全殼的焊接所采用的仍然是傳統(tǒng)的手工焊，焊工勞動強度高，焊接效率低；同時，手工焊接容易受工作環(huán)境、焊工狀態(tài)等諸多因素的影響，焊縫質(zhì)量不夠穩(wěn)定。在西方發(fā)達國家，自動焊工藝已成功應用于核電機組鋼制安全殼的拼裝焊接。因此，為適應我國核電產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展、縮短安裝周期、提高焊接質(zhì)量，有必要研究核電站鋼制安全殼自動焊工藝，并逐步應用于工程建設中。

本研究以我國某核電機組鋼制安全殼的拼裝制造為背景，以鋼制安全殼在立向上焊（3G）位置的焊接工藝開發(fā)為研究對象，選擇在相同焊接參數(shù)下，開展CV自動焊與手工焊的工藝對比，為后續(xù)核電鋼制安全殼的焊接工藝進一步優(yōu)化及選擇提供實驗依據(jù)和指導。

2.試驗方法對比分析

（1）試驗設備 手工焊接設備采用國產(chǎn)的WSM系列逆變式直流弧焊電源，采用IGBT逆變技術(shù)，具有結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、便攜式等特點，可獲得優(yōu)異的起弧性能和穩(wěn)定的電弧，采用手弧焊接電源如圖1所示。

圖1 手工電弧焊用焊接電源

自動焊接設備選用林肯焊接電源R350和某公司的焊接小車系統(tǒng)。焊接電源具備平特性電流及脈沖電流MIG/MAG焊功能，具有控制精度高，穩(wěn)定性好，性能卓越等特點。同時，焊接電流、電弧電壓及焊接速度等參數(shù)可以數(shù)字顯示并連續(xù)可調(diào)。焊接小車采用有軌道式，能夠滿足平、橫、立、仰四個位置的平穩(wěn)焊接。

（2）試驗材料 鋼制安全殼材質(zhì)為SA738Gr.B，其為美國ASME規(guī)范中的牌號，隨著中國三代核電技術(shù)的引進、消化和再創(chuàng)新，目前我國已經(jīng)具備SA738Gr.B鋼板的自主制造生產(chǎn)技術(shù)。本文所用材料即為國內(nèi)某鋼廠研制的S A738G r.B鋼板，供貨狀態(tài)為調(diào)質(zhì)（淬火+回火）狀態(tài)，板材規(guī)格為400mm×800mm×52mm，主要化學成分及力學性能如表1所示。

從表1可以看出，鋼板性能均勻，各項性能指標均大于標準規(guī)定的數(shù)值。同時SA738Gr.B鋼含碳量極低，僅有0.07%左右，碳當量約為0.42%，極大地改善了焊接性。

焊接填充材料的選擇依據(jù)等強匹配的原則。手工焊填充材料采用?3.2mm和?4.0mm的E9018-G-H4型號焊條，該焊條具有良好的引弧性能，其化學成分及力學性能如表2所示。自動焊填充材料為?1.2mm的焊絲ER90S—G，其化學成分及力學性能如表3所示。

（3）坡口形式及焊道分布 本研究主要是對比分析手工焊與自動焊的工藝情況，為了盡可能達到減少控制變形量的目的，采用相同的對稱X形坡口，其坡口形式如圖2所示，實際坡口形式以施工方案要求為準。同時要求組對間隙3～5mm，內(nèi)錯邊量≤1.5 mm。焊接前采用焊條電弧焊進行點固焊接，焊接過程采取多層多道焊工藝，主要通過調(diào)整焊接次序來控制變形。具體的焊接順序及焊道分布如圖3所示。

（4）工藝方法 本研究選擇手工焊及自動焊方法，焊接位置選擇立向上焊（3G）。自動焊采用的熔化極氣體保護焊（G M AW），保護氣體采用80%Ar+20%CO2混合氣體。A r+C O2混合氣體具有飛濺率低、熔敷效率高；合金元素的過渡系數(shù)大；焊縫的含氧量低；工藝參數(shù)調(diào)節(jié)范圍大；焊縫成形好等特點。SA738Gr.B鋼板自動焊使用脈沖電流，具有焊接過程飛濺小、較小的熱輸入、氣孔傾向小等特點。

本試驗采用優(yōu)化的工藝參數(shù)，試驗中焊接熱輸入值均不超過4.0kJ/mm，且自動焊比手工焊具有更小的焊接熱輸入。

對比試驗板選擇在相同的工況環(huán)境下進行焊接，最終經(jīng)無損檢測合格后進行理化檢測試驗，檢測內(nèi)容包括焊縫金相顯微組織、拉伸試驗、沖擊試驗、焊接接頭硬度。

3.試驗結(jié)果對比分析

（1）焊接變形量 針對焊接變形的原因和種類從焊接工藝上進行改進，可以有效防止和減少焊接變形所帶來的危害。

圖2 坡口形式示意

本試驗采用改進工藝的方法來防止焊接過程中的變形，即選用對稱X形坡口，焊接過程中通過改變焊接順序，可以達到有效預防變形的目的。焊接前，在組對完成的焊接試驗板B側(cè)（參照圖3的焊道分布圖）標記樣沖測量點，以記錄焊接過程中的縱向、橫向變形收縮量。具體標記點如圖4所示。在每層焊道焊接完成后，分別記錄焊縫的橫向（Y向）、縱向（X向）變形情況，變形實測值曲線如圖5、圖6所示。

表1 SA738Gr.B化學成分及力學性能

表2 E9018-G-H4化學成分及力學性能

表3 E90S—G化學成分及力學性能

圖3 焊道分布

通過圖5、圖6變形曲線，可以看出手工焊的焊接橫向變形要稍大于自動焊，這與手工焊的焊接熱輸入及焊接填充量較大有關(guān)。手工焊與自動焊兩種焊接工藝的焊縫縱向變形量相當，變化都不大，可見焊接過程對縱向變形影響較小?？傮w而言，焊接變形可以通過改變焊接順序控制在一定范圍內(nèi)，相對而言手工焊接需要頻繁的更換焊接順序來達到控制焊接變形的目的，勢必會增加焊接過程的工作量。

（2）微觀金相 采用金相顯微鏡對手工焊接頭及自動焊接頭試樣進行金相組織觀察。由于手工焊、自動焊焊接工藝都經(jīng)過優(yōu)化，其組織差別不明顯。接頭在顯微鏡下的金相組織對比照片如圖7所示。

兩種焊接工藝焊縫的金相組織如圖7a所示，其中間部分是針狀鐵素體，周圍是晶界鐵素體。自動焊焊縫中的組織比手工焊分布更加均勻，晶粒更加細小。

兩種焊接工藝熱影響區(qū)的金相組織如圖7b所示，兩者都在熱的作用下，晶粒長大。手工焊的熱輸入較大，晶粒更大甚至形成了塊狀粗大組織；由于自動焊熱輸入較小，晶粒長大不明顯。

（3）力學性能 第一，拉伸試驗：對比試件經(jīng)過無損檢測合格后，按照相關(guān)標準進行焊接接頭力學性能試驗取樣，對手工焊及自動焊接頭試板采用鋸床、線切割在每件試板上截取4個常溫拉伸試樣、2個高溫（150℃）拉伸試樣。

對試樣進行拉伸試驗，測得在常溫、150℃環(huán)境溫度條件下的抗拉強度，相關(guān)標準文件要求常溫拉伸試樣抗拉強度不得低于585MPa，高溫拉伸抗拉強度不低于540MPa，取樣位置在1/2t和1/4t（t為試板的厚度），試驗溫度為150℃。經(jīng)試驗，常溫、150℃下抗拉強度分別為665MPa和681MPa、607MPa和625MPa。

圖4 焊接變形測量點分布示意

圖5 焊接橫向變形與焊接層道關(guān)系

圖6 焊接縱向變形與焊接層道關(guān)系

由試驗結(jié)果可以看出，自動焊接頭、手工焊接頭常溫抗拉強度均高于高溫抗拉強度。

第二，沖擊試驗：對焊接對比試板分別取沖擊試樣件。其中，焊縫區(qū)：4組（試驗溫度為-29℃及-45℃各2組），每組3件，共12件；熱影響區(qū)：4組（試驗溫度為-29℃及-45℃各2組），每組3件，共12件。對沖擊試樣件進行性能測試，結(jié)果取平均值，最終獲得手工焊與自動焊的沖擊性能對比如圖8所示。

根據(jù)設計要求，在最低服役溫度下，焊縫、熱影響區(qū)沖擊吸收能量平均值不低于54J才能滿足要求。由試驗結(jié)果可知，焊縫和熱影響區(qū)的沖擊吸收能量均滿足要求，而自動焊的沖擊吸收能量更高，能夠滿足更高的要求。

第三，硬度試驗：為了研究不同焊接方法對于焊縫和近縫區(qū)母材的影響，在焊接接頭及附近區(qū)域測量顯微硬度，圖9為測量點的分布示意。手工焊試板焊縫的硬度值為199～233HV；熱影響區(qū)為210～221HV；母材為195～230HV。自動焊試板焊縫硬度值為245～254H V；熱影響區(qū)為203～264HV；母材為203～218HV。從硬度測量值可以看出，母材的硬度值差別不大，而焊縫區(qū)和熱影響區(qū)的硬度值自動焊接明顯高于手工焊。

4.結(jié)語

圖7 手工焊與自動焊微觀金相照片對比

圖8 不同溫度下的沖擊吸收能量對比

圖9 硬度測量點分布示意

（1）自動焊具有較小的焊接熱輸入，焊接過程相對穩(wěn)定，焊接變形控制易于手工焊，焊縫軸向收縮量小于手工焊，在50%焊縫厚度前，焊接熱循環(huán)對焊接變形影響較大，隨著焊縫厚度的增加，焊接熱循環(huán)對焊接變形的影響減弱。

（2）手工焊焊縫熱影響區(qū)尺寸較大，焊縫中的柱狀晶發(fā)達，粗大的柱狀晶垂直于熔合線由母材向焊縫金屬延伸，熔合線附近的晶粒尺寸較大；自動焊焊縫熔合區(qū)尺寸較小，焊縫中的柱狀晶尺寸較小，熔合線附近的晶粒粗化不明顯。

（3）手工焊與自動焊焊縫強度均高于母材，同時各項力學性能指標均滿足相關(guān)標準要求，這說明自動焊焊縫相比手工焊具有更優(yōu)異的力學性能。