核級(jí)奧氏體不銹鋼窄間隙埋弧焊試驗(yàn)研究

田云，王芳，劉亞玲，楊軍南，遇婷，姚景文

（沈陽(yáng)鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)核電泵業(yè)有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110869）

某核主泵熱屏和導(dǎo)葉的環(huán)焊縫( 詳見(jiàn)圖1)，為厚板（50mm）奧氏體不銹鋼的焊接。由于奧氏體不銹鋼的線(xiàn)膨脹系數(shù)比碳鋼大40%，在焊接過(guò)程中的熱脹冷縮會(huì)產(chǎn)生較大的焊接變形和焊后收縮量。所以，對(duì)于熱屏和導(dǎo)葉的環(huán)焊縫焊接，不僅要考慮厚板的單面V 型坡口的截面積增加幅度較大，帶來(lái)的焊接工作量相應(yīng)增大的問(wèn)題，還要考慮焊接過(guò)程中熱脹冷縮產(chǎn)生的較大焊接變形和焊后收縮量問(wèn)題。

此外，熱屏和導(dǎo)葉環(huán)焊縫焊接結(jié)束后，加工掉內(nèi)圓面的內(nèi)止口，然后對(duì)內(nèi)圓面進(jìn)行液體滲透檢驗(yàn)，如有缺陷，內(nèi)止口的缺陷打磨和補(bǔ)焊在操作空間上也存在難度，對(duì)焊縫的焊接質(zhì)量也提出了更高的要求。

窄間隙焊接是厚板焊接領(lǐng)域的一項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)，工件開(kāi)的是窄而深的I 型或坡口角很小的V 型坡口，與普通坡口的埋弧焊相比，窄間隙焊具有無(wú)比可擬的優(yōu)越性。但要深入母材很窄的坡口中，實(shí)現(xiàn)無(wú)缺陷的焊接，就要設(shè)計(jì)合理的坡口結(jié)構(gòu)，并確保制備工件坡口的精度，及解決焊接工藝和焊接工裝等方面一系列難題。

因此，開(kāi)展了核級(jí)厚板奧氏體不銹鋼熱屏和導(dǎo)葉環(huán)焊縫窄間隙埋弧焊的試驗(yàn)研究。

1 焊接坡口型式的設(shè)計(jì)

對(duì)于大厚度工件，為減少焊接工作量和焊后變形量，通常采用雙V 型的坡口型式。但是，由于熱屏和導(dǎo)葉的內(nèi)圓面是留有止口的環(huán)焊縫，對(duì)于焊接設(shè)備及焊工進(jìn)入內(nèi)圓面焊接比較困難，因此，不適用雙V 型坡口的坡口形式。

單面V 型坡口型式，由于板厚為50mm，所以填充量很大，焊后變形量也難以控制。通過(guò)一系列調(diào)試試驗(yàn)，最終設(shè)計(jì)了窄間隙的坡口型式，如圖2 所示，并配合窄間隙埋弧焊的焊接方法。

由于坡口角度變窄，使窄間隙埋弧焊的坡口截面積與傳統(tǒng)埋弧焊的坡口截面積相比可減少50%左右，節(jié)省焊接材料和能源的消耗，降低成本，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。

2 焊接工裝的研制

窄間隙埋弧焊設(shè)備采用的是美國(guó)林肯公司設(shè)備控制部分，并與國(guó)內(nèi)行走設(shè)備及變位機(jī)聯(lián)調(diào)。因?yàn)闊崞梁蛯?dǎo)葉的焊縫為環(huán)焊縫，為了提高焊接質(zhì)量和生產(chǎn)效率及控制焊接變形量，需要把工件放在變位機(jī)上實(shí)現(xiàn)平位置焊接。

根據(jù)熱屏和導(dǎo)葉的結(jié)構(gòu)及尺寸，為保證熱屏導(dǎo)葉的同軸度，進(jìn)行了特制焊接工裝的精準(zhǔn)設(shè)計(jì)，將熱屏與導(dǎo)葉進(jìn)行組裝，組裝后如圖3。配合變位機(jī)的旋轉(zhuǎn)，使環(huán)焊縫始終處于平焊位置進(jìn)行焊接，如圖4 所示，保證焊接質(zhì)量的同時(shí)，有效地控制了焊接變形和焊后收縮量。

圖1 熱屏和導(dǎo)葉的焊接圖

圖2 窄間隙埋弧焊坡口型式

圖3 焊接工裝的組裝圖

圖4 焊接過(guò)程圖

3 焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)

3.1 執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)合同要求，焊接工藝評(píng)定需執(zhí)行ASME 標(biāo)準(zhǔn)第Ⅸ卷的同時(shí)，還要滿(mǎn)足設(shè)計(jì)規(guī)格書(shū)中有關(guān)高溫（350℃）工況條件下的特殊要求。

3.2 焊接材料的確定

熱屏和導(dǎo)葉的母材材質(zhì)，分別為ASME SA-965 F304 和ASME SA-351 CF8。根據(jù)母材的化學(xué)成分及ASME 第Ⅱ卷C 篇，選用了化學(xué)成分類(lèi)型相同的奧氏體不銹鋼實(shí)芯焊絲SFA 5.9 ER308L，其直徑φ1.6mm；為避免鉻燒損，選用中性焊劑EN 760-SA FB2，其粒度為14/40。

表1 焊評(píng)試驗(yàn)的焊接規(guī)范參數(shù)

表2 焊評(píng)試驗(yàn)的焊接接頭機(jī)械性能

3.3 焊接試驗(yàn)

由具有HAF603 及相應(yīng)ASME 資質(zhì)的焊工對(duì)焊接工藝評(píng)定試板進(jìn)行焊接，根據(jù)ASME 第IX 卷的評(píng)定范圍，采用了40mm厚的對(duì)接試板，并多次進(jìn)行焊接工藝性試驗(yàn)，優(yōu)化焊接規(guī)范參數(shù)，實(shí)際焊接參數(shù)如表1。

試板進(jìn)行X 射線(xiàn)探傷合格，并進(jìn)行試板的分割，機(jī)械性能試樣的制備等，試樣的機(jī)械性能試驗(yàn)結(jié)果如表2。

通過(guò)上述焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)結(jié)果可以看出，采用窄間隙埋弧焊對(duì)某核主泵奧氏體不銹鋼的熱屏和導(dǎo)葉進(jìn)行焊接，各項(xiàng)性能指標(biāo)完全滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)及技術(shù)規(guī)格書(shū)的要求。

4 實(shí)際產(chǎn)品的焊接

核級(jí)厚板奧氏體不銹鋼熱屏和導(dǎo)葉環(huán)焊縫產(chǎn)品的焊接，焊縫質(zhì)量一次性合格率達(dá)百分百。焊后表面狀態(tài)如圖5 所示，工藝步驟如下：

圖5 焊縫最終狀態(tài)圖

（1）焊前用酒精將待焊部位及周?chē)?0mm 范圍內(nèi)清理干凈，避免焊縫金屬產(chǎn)生氣孔等缺陷。

（2）采用特制的焊接工裝，將熱屏和導(dǎo)葉安裝在變位機(jī)上，注意確保熱屏和導(dǎo)葉與變位機(jī)的同軸度≤1mm，既有助于控制焊接變形和焊后收縮量，又保證焊縫始終處于有利于施焊的平焊位置。

（3）具體焊接工藝，詳見(jiàn)上述章節(jié)4.3 焊接試驗(yàn)中的焊接規(guī)范參數(shù)，并采用接觸性測(cè)溫儀嚴(yán)格控制焊前最低預(yù)熱溫度及焊接過(guò)程中的最大層間溫度。

（4）窄間隙的焊接，可采取每層一道、每層兩道或每層三道的焊接。其中，雖然每層一道的焊接生產(chǎn)效率高，但很容易造成與側(cè)壁母材的熔合不良，熔渣不易排出、焊縫成型系數(shù)過(guò)小引起結(jié)晶裂紋等問(wèn)題，因此，只在第一層打底焊接時(shí)采用。每層兩道的焊接被普遍采用，但為了保證坡口側(cè)壁與母材的更好熔合，在每個(gè)焊道焊接時(shí)，必須手動(dòng)調(diào)節(jié)焊絲端頭，使之偏向各自的坡口側(cè)壁。每層三道的焊接，由于坡口的加寬降低了生產(chǎn)效率，只在蓋面層采用。

（5）因熱屏與導(dǎo)葉外徑差為單邊7mm，當(dāng)焊接到近外表面時(shí)，為了更好成型，將變位機(jī)從垂直位置旋轉(zhuǎn)一定角度，使待焊接處的焊接熔池始終保持在水平位置。

（6）依據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，焊縫外表面要求保持焊態(tài)。因此，焊縫外表面只需使用3M 魔布拋光，這對(duì)焊縫表面質(zhì)量及成形都有較高的要求。

（7）熱屏和導(dǎo)葉的內(nèi)止口加工掉后，對(duì)內(nèi)圓面進(jìn)行液體滲透檢驗(yàn)，外表面進(jìn)行目視及液體滲透檢驗(yàn)。

依據(jù)ASME 標(biāo)準(zhǔn)NB 分卷，對(duì)焊縫的內(nèi)、外表面進(jìn)行液體滲透檢查，該產(chǎn)品的所有熱屏和導(dǎo)葉環(huán)焊縫都一次性合格。

5 結(jié)語(yǔ)

（1）焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)及實(shí)際產(chǎn)品的焊接證明，設(shè)計(jì)的焊接坡口型式、選取的焊接材料、采用的窄間隙埋弧焊方法、研制的焊接工裝、優(yōu)化的焊接工藝參數(shù)等是合理的，焊縫成型美觀，焊縫質(zhì)量滿(mǎn)足圖紙的要求，解決了厚板奧氏體不銹鋼環(huán)焊縫焊接的難題。

（2）采用的窄間隙埋弧焊焊接工藝方法，由于坡口角度變窄，與傳統(tǒng)埋弧焊的坡口截面積相比可減少50%左右，焊絲可節(jié)約30%～50%，焊劑可節(jié)約56%～64.7%。

（3）因?yàn)檎g隙埋弧焊方法的坡口，使填充金屬量少，與傳統(tǒng)埋弧焊相比，提高焊接生產(chǎn)率50%～80%。

（4）因?yàn)檎g隙埋弧焊的焊接工藝方法，填充金屬量少，焊接接頭總的焊接熱輸入量低，對(duì)熱影響區(qū)組織影響也小，同時(shí)母材熔化量少，焊縫金屬受母材成分的影響較小，其雜質(zhì)和合金成分等對(duì)焊縫作用較小。因此，焊接接頭的力學(xué)性能得到了改善。

（5）因?yàn)檎g隙埋弧焊的焊接工藝方法，熔敷金屬量減少，使焊接接頭的應(yīng)力水平和變形量有所降低。