核電CV厚板窄間隙擺動(dòng)自動(dòng)焊接工藝參數(shù)研究

陳鵬　劉一搏　王亞峰　孫清潔

摘要：CAP1400核電站CV 模塊鋼板（SA-738 Gr.B）窄間隙自動(dòng)焊具有填充量小、焊接效率高的特點(diǎn)。首先采用特制的窄間隙焊槍開(kāi)展單一變量試驗(yàn)，研究窄間隙坡口內(nèi)擺動(dòng)速度、側(cè)壁停留時(shí)間、焊接電流、焊接速度和焊絲尖端到側(cè)壁距離等參數(shù)對(duì)焊縫熔深、余高和側(cè)壁熔深的影響規(guī)律。結(jié)果表明，在窄間隙坡口內(nèi)，擺動(dòng)速度對(duì)焊縫熔深的影響最大;焊接電流和焊接速度對(duì)余高影響最大;焊絲尖端到側(cè)壁距離對(duì)側(cè)壁熔深影響最大，并確定了最優(yōu)焊接參數(shù)范圍。其次采用最優(yōu)參數(shù)對(duì)試板進(jìn)行焊接并測(cè)試其力學(xué)性能，結(jié)果表明，其拉伸性能及沖擊性能均高于母材要求值。這為后續(xù)進(jìn)一步進(jìn)行CV窄間隙自動(dòng)焊工藝工程應(yīng)用研究提供了理論基礎(chǔ)和參考。

關(guān)鍵詞：SA-738 Gr.B;焊接工藝參數(shù);窄間隙坡口;擺動(dòng)電弧

中圖分類號(hào)：TG444文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1001-2303（2020）03-0011-07

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.03.02

0 前言

第三代核電機(jī)組CAP1400中大厚板低合金高強(qiáng)鋼的使用越來(lái)越廣泛，核用低合金高強(qiáng)鋼是經(jīng)調(diào)質(zhì)處理的碳錳鋼，其抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度高，選用該種鋼材可有效降低板材的消耗量[1]。對(duì)于CV鋼制安全殼SA-738 Gr.B厚板，現(xiàn)有的手工焊及常規(guī)MAG自動(dòng)焊具有較大的拘束度及大填充量的弊端，導(dǎo)致焊接接頭產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力及焊后變形;此外，由于累積熱輸入量大，會(huì)對(duì)焊接接頭造成較大的塑韌性損傷，給力學(xué)性能帶來(lái)不利影響[2]。為了克服傳統(tǒng)厚板焊接的上述局限性，1963年美國(guó)Battelle研究所率先提出了一種窄間隙焊接技術(shù)（Narrow Gap Welding），其優(yōu)越性在于坡口尺寸小，所需填充金屬較少，焊接工作量和生產(chǎn)成本大幅度降低[3]。最早的電弧擺動(dòng)窄間隙焊接方法是波浪式焊接，在實(shí)際應(yīng)用中范圍較為廣泛[4];日本學(xué)者Ono Hidehiko對(duì)波浪式焊絲窄間隙焊接方法的應(yīng)用進(jìn)行了大量研究[5];哈爾濱工業(yè)大學(xué)碩士研究生汪瓊[6]自制了擺動(dòng)電弧窄間隙MIG焊炬，本文在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了相關(guān)研究。

試驗(yàn)采用特制的窄間隙擺動(dòng)電弧焊槍進(jìn)行SA-738 Gr.B MAG自動(dòng)焊焊接工藝研究。與電弧不擺動(dòng)而只沿直線運(yùn)動(dòng)相比，具有明顯的優(yōu)勢(shì)[7]。擺動(dòng)電弧是在窄間隙坡口內(nèi)往復(fù)擺動(dòng)，當(dāng)電弧擺動(dòng)到靠近坡口側(cè)壁時(shí)，由于距離側(cè)壁較近，可使側(cè)壁金屬吸收足夠的能量而充分熔化，得到側(cè)壁熔合較好、焊縫成形好及接頭力學(xué)性能良好的焊接接頭。

1 試驗(yàn)方法

焊接方法為熔化極氣體保護(hù)自動(dòng)焊，設(shè)備為林肯S350焊機(jī)，選用脈沖模式，母材為8 mm厚Q345B低合金鋼板材和42 mm厚SA-738 Gr.B高強(qiáng)鋼鋼板，焊材為直徑φ1.2 mm的ER90S-G焊絲，保護(hù)氣體為混合氣體φ（Ar）80%+φ（CO2）20%。

首先采用特制的窄間隙焊槍在Q345B鋼板上采用平面堆焊方式，采用單一變量法探究擺動(dòng)速度、側(cè)壁停留時(shí)間、焊接速度、焊接電流等對(duì)熔寬和余高的影響及規(guī)律，初步找出表面成形良好的焊接工藝參數(shù);然后將母材改為42 mm厚SA-738 Gr.B高強(qiáng)鋼板材;采用特制的窄間隙焊槍將平面堆焊時(shí)得到的工藝參數(shù)在SA-738 Gr.B高強(qiáng)鋼厚板窄間隙坡口內(nèi)進(jìn)行單一變量試驗(yàn)，研究窄間隙坡口內(nèi)擺動(dòng)速度、側(cè)壁停留時(shí)間、焊接電流、焊接速度和尖端到側(cè)壁距離對(duì)焊縫熔深、余高和側(cè)壁熔深的影響規(guī)律，確定最優(yōu)焊接參數(shù)范圍;最后采用最優(yōu)參數(shù)對(duì)試板進(jìn)行焊接及力學(xué)性能測(cè)試。窄間隙坡口尺寸見(jiàn)圖1。母材SA-738 Gr.B鋼板力學(xué)性能要求見(jiàn)表1。<＼＼192.168.0.111＼電焊機(jī)雜志內(nèi)頁(yè)＼2020年第3期＼陳鵬1.TIF>

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 平板堆焊焊接參數(shù)對(duì)焊縫成形的影響規(guī)律分析

采用單一變量法，圖2（從左至右依次為50 °/s、100 °/s、200 °/s、300 °/s、400 °/s、500 °/s）為不同擺動(dòng)速度下的焊縫表面成形，圖3為不同擺動(dòng)速度下熔寬、余高的變化規(guī)律。結(jié)合兩圖可以看出，當(dāng)擺動(dòng)速度為50°/s時(shí)，焊縫的熔寬已經(jīng)不再穩(wěn)定在一個(gè)值上，而是在一個(gè)范圍內(nèi)波動(dòng)，影響焊縫成形。在一定范圍內(nèi)擺動(dòng)速度越高，魚(yú)鱗紋越細(xì)密，成形較好。擺動(dòng)速度對(duì)熔寬和余高的影響很小。

圖4（從左至右依次為0.2 s、0.6 s、1.0 s、1.4 s、1.8 s）為不同側(cè)壁停留時(shí)間的焊縫表面成形，圖5為不同側(cè)壁停留時(shí)間下熔寬和余高的變化規(guī)律。結(jié)合兩圖可知，隨著停留時(shí)間的增加，焊縫魚(yú)鱗紋由密到疏，熔寬總體趨勢(shì)為增加，余高總體趨勢(shì)為減小。

圖6（從左至右依次為75 A、110 A、150 A、180 A、210 A）為不同焊接電流的焊縫表面成形，圖7為不同焊接電流下熔寬、余高的變化規(guī)律。結(jié)合兩圖可以看出，焊接電流較小時(shí)，熔化金屬飛濺較大，隨著焊接電流的增大，飛濺減小，且成形較好，當(dāng)焊接電流到達(dá)210 A時(shí)，焊縫寬度過(guò)大。焊縫熔寬隨著焊接電流的增加明顯增加，余高隨著焊接電流的增加緩慢遞增。焊接電流對(duì)熔寬影響較大，對(duì)余高影響較小。焊接電流在150～180 A時(shí)焊縫成形最好。

圖8（從左至右依次為53 mm/min、106 mm/min、159 mm/min、212 mm/min、265 mm/min）為不同焊接速度的焊縫表面成形，圖9為不同焊接速度下熔寬、余高的變化規(guī)律。結(jié)合兩圖可以看出，焊接速度較小時(shí)焊縫幾乎不成形，速度增大后焊縫成形較好，由于有擺動(dòng)因素的存在，焊接速度過(guò)快時(shí)，焊縫成形會(huì)受到影響。隨著焊接速度的增加，熔寬的變化不明顯，余高總體趨勢(shì)在減小。

2.2 窄間隙坡口內(nèi)焊接參數(shù)對(duì)截面尺寸的影響規(guī)律分析

采用單一變量法，圖10為不同擺動(dòng)速度下焊縫表面成形及截面，圖11為不同擺動(dòng)速度下熔深、側(cè)壁熔深和余高的變化規(guī)律。結(jié)合兩圖可以看出，當(dāng)擺動(dòng)速度小于100 °/s時(shí)，焊縫成形不良，且側(cè)壁有間斷性未熔合缺陷，隨著擺動(dòng)速度的增加，焊縫魚(yú)鱗紋越來(lái)越密集，焊縫成形外觀較好，當(dāng)擺動(dòng)速度大于500 °/s時(shí)，焊槍本身會(huì)出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象，因此會(huì)產(chǎn)生側(cè)壁未熔合缺陷。隨著擺動(dòng)速度的增加熔深略有減小，側(cè)壁熔深先增大后減小，余高則基本不變。

圖12為不同側(cè)壁停留時(shí)間的焊縫表面成形及截面，圖13為不同側(cè)壁停留時(shí)間下熔深、側(cè)壁熔深和余高的變化規(guī)律。結(jié)合兩圖可以看出，側(cè)壁停留時(shí)間越短，焊縫魚(yú)鱗紋越致密，擺動(dòng)時(shí)如果兩端停留0.1 s，側(cè)壁熔合不是很好，且焊縫上凸較明顯。隨著停留時(shí)間的增加，側(cè)壁熔合得到很大改善，但是當(dāng)停留時(shí)間過(guò)大時(shí)，焊縫兩邊熔合效果存在差異，易出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題。如果焊絲擺動(dòng)到側(cè)壁時(shí)停留時(shí)間極短，電弧熱量主要集中在坡口中間區(qū)域，側(cè)壁熱輸入較小，因而焊縫熔深和余高較大，側(cè)壁熔深很小;如果到達(dá)側(cè)壁時(shí)作短暫停留，電弧對(duì)側(cè)壁的直接熱輸入增加，側(cè)壁熔深明顯增大，焊縫熔深和余高明顯減小;隨著側(cè)壁停留時(shí)間的增加，熔深和余高略有增大，側(cè)壁熔深又逐漸減小。

圖14為不同焊接電流下焊縫表面成形及截面，圖15為不同焊接電流下熔深、側(cè)壁熔深和余高的變化規(guī)律。結(jié)合兩圖可以看出，當(dāng)焊接電流為90 A時(shí)，側(cè)壁熔合不充分，且焊縫成形很差;隨著電流的增加，當(dāng)焊接電流增加到150～170 A范圍內(nèi)時(shí)，焊縫表面近乎平面，成形良好;當(dāng)焊接電流繼續(xù)增加到190 A 時(shí)，焊縫開(kāi)始凸起，這對(duì)于多層焊接而言是不利的，易造成層間缺陷，應(yīng)該避免。隨著焊接電流的增大，電弧對(duì)坡口底部及側(cè)壁的熱輸入增加，焊縫熔深、余高和側(cè)壁熔深均逐漸增大，這是因?yàn)楫?dāng)焊接電流較小時(shí)，送絲速度較小，整體坡口的填充量和熔化量很小;當(dāng)電流增加時(shí)，側(cè)壁熔化區(qū)域增大，但由于送絲量的增加，余高也略有增加趨勢(shì)。

圖16為不同焊接速度下焊縫表面成形及截面，圖17為不同焊接速度下熔深、側(cè)壁熔深和余高的變化規(guī)律。結(jié)合兩圖可以看出，焊接速度在 96～180 mm/min時(shí)，焊縫成形較為美觀;當(dāng)焊接速度小于53 mm/min 時(shí)，熱輸入過(guò)大，填充厚度過(guò)厚，導(dǎo)電嘴燒損較為嚴(yán)重;當(dāng)焊接速度大于180 mm/min時(shí)，焊接過(guò)程不穩(wěn)定，焊縫無(wú)法成形。隨著焊接速度的增加，焊縫熔深和余高均逐漸降低，而側(cè)壁熔深表現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)。

圖18為不同焊絲尖端到側(cè)壁距離的焊縫表面成形及截面，圖19為不同焊絲尖端到側(cè)壁距離下熔深、側(cè)壁熔深和余高的變化規(guī)律。結(jié)合兩圖可以看出，當(dāng)焊絲尖端到側(cè)壁距離小于1.1 mm時(shí)，焊縫成形為凹形，有利于下一道的焊接，但是距離過(guò)小則會(huì)燒導(dǎo)電嘴，不能進(jìn)行焊接;隨著焊絲尖端到側(cè)壁距離的增加，焊縫成形慢慢變得凸起，當(dāng)距離過(guò)大時(shí)會(huì)出現(xiàn)側(cè)壁未熔合缺陷。隨著焊絲尖端到側(cè)壁距離的增加，熔深顯著增加，余高略微增加，而側(cè)壁熔深則是呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)。

2.3 焊接工藝驗(yàn)證

通過(guò)上述工藝參數(shù)對(duì)焊縫影響的規(guī)律性的研究，確定了最佳工藝參數(shù)范圍。采用特制的窄間隙焊槍，選用最優(yōu)工藝參數(shù)：焊接電流110～200 A，焊接速度100～140 mm/min，擺動(dòng)速度360 °/s，側(cè)壁停留時(shí)間為0.6～1.0 s，焊絲尖端到側(cè)壁距離為0.7～1.0 mm，對(duì)42 mm厚SA-738 Gr.B高強(qiáng)鋼板進(jìn)行焊接，焊縫成形良好，且宏觀金相無(wú)缺陷，如圖20所示。然后對(duì)12件拉伸試樣進(jìn)行試驗(yàn)，實(shí)測(cè)平均抗拉強(qiáng)度為634 MPa，大于要求值620 MPa;對(duì)9件沖擊試件進(jìn)行測(cè)試，最低值69 J，大于要求值54 J;彎曲試驗(yàn)4件均合格。本試驗(yàn)為后續(xù)進(jìn)行工程實(shí)體應(yīng)用研究奠定了理論基礎(chǔ)。

3 結(jié)論

（1）采用特制窄間隙焊槍，在窄間隙坡口內(nèi)，隨著擺動(dòng)速度的增加，熔深略有減小，側(cè)壁熔深先增大后減小，余高則基本不變;隨著側(cè)壁停留時(shí)間的增加，焊縫熔深和余高先減小后增加，而側(cè)壁熔深先增加后減小;隨著焊接電流的增加，焊縫熔深、余高和側(cè)壁熔深都增加，而余高增加趨勢(shì)最大;隨著焊接速度的增加，焊縫熔深和余高均逐漸降低，而側(cè)壁熔深表現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì);隨著焊絲尖端到側(cè)壁距離的增加，熔深顯著增加，余高略微增加，而側(cè)壁熔深則是先增加后減小的趨勢(shì)。

（2）通過(guò)規(guī)律性研究確定了窄間隙坡口MAG自動(dòng)焊的最佳焊接工藝參數(shù)范圍，且該工藝力學(xué)性能符合母材技術(shù)要求，為后續(xù)進(jìn)一步進(jìn)行工程實(shí)體應(yīng)用研究奠定了理論基礎(chǔ)，為后續(xù)核電CV高強(qiáng)鋼窄間隙自動(dòng)焊研究提供參考。

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