核化工容器等離子弧焊坡口設(shè)計(jì)研究

尤俊杰

（東方電氣（廣州）重型機(jī)器有限公司，廣州 511455）

0 引言

在乏燃料后處理廠(chǎng)中，接收槽、供料槽、廢液槽、緩沖罐、分離罐、倒空槽等各種功能的槽罐都是典型的安全級(jí)核化工容器。這類(lèi)核化工容器的制造質(zhì)量好壞直接影響到乏燃料處理的安全性。在這類(lèi)核化工容器的幾個(gè)關(guān)鍵制造工序中，殼體對(duì)接全焊透焊縫的焊接是其中重點(diǎn)工序之一，這類(lèi)焊縫檢測(cè)要求通常是按NB/T 47013.2-2015規(guī)定執(zhí)行100%射線(xiàn)檢測(cè)，檢測(cè)技術(shù)級(jí)別為B級(jí)，Ⅱ級(jí)合格[1]。由于乏燃料后處理系統(tǒng)需要的槽罐數(shù)量多，焊接工作量大，因此既要保證焊接質(zhì)量可靠性，又要提高焊接效率，并且焊后修磨量小。鑒于等離子弧焊具有等離子弧能量集中、電弧穩(wěn)定性高、焊縫成形深而窄、熱影響區(qū)小、焊縫外表成形均整美觀、余高小等優(yōu)點(diǎn)，適于焊接對(duì)熱作用較敏感的鋼材，如奧氏體不銹鋼和耐熱鋼等，結(jié)合核化工容器的材料要求，經(jīng)過(guò)認(rèn)真分析研究，采取以自動(dòng)等離子弧焊為主、自動(dòng)鎢極氬弧焊為輔的焊接方法，以兼顧產(chǎn)品在質(zhì)量、進(jìn)度、成本等方面的要求。

本文通過(guò)對(duì)核化工容器的材料性能、焊接工藝、焊接質(zhì)量等方面要求的全面分析，重點(diǎn)研究設(shè)計(jì)合理的焊接坡口結(jié)構(gòu)，提高焊縫合格率，降低產(chǎn)品生產(chǎn)成本。

1 材料要求

1.1 母材要求

某乏燃料后處理系統(tǒng)各種槽罐的殼體母材主要為奧氏體不銹鋼，其材質(zhì)主要有06Cr18Ni11Ti、022Cr19Ni10、06Cr19Ni10，殼體壁厚主要介于4～14 mm范圍內(nèi)。

1.2 焊材要求

根據(jù)設(shè)計(jì)圖樣技術(shù)要求，焊材的使用根據(jù)直接相焊的兩個(gè)母材牌號(hào)確定，具體遵照表1所示原則。

表1 焊材使用原則

2 坡口型式選擇

所謂等離子弧焊，顧名思義就是利用電弧等離子區(qū)的高溫、高穿透能力，使電弧的特性發(fā)生質(zhì)的變化。然而，等離子區(qū)的高穿透能力總是有一定限度的。對(duì)于不銹鋼，等離子弧一次行程可熔透的最大厚度為8 mm[2]，對(duì)于厚度t≤8 mm的對(duì)接接頭可不開(kāi)坡口，采用直邊對(duì)接接頭型式，可大大縮短焊前準(zhǔn)備和焊接時(shí)間。

因此，根據(jù)不同的板厚，等離子弧焊的坡口型式及焊接方法也有所不同，具體分類(lèi)如表2所示。

表2 坡口型式選擇

由于母材厚度小于4 mm的對(duì)接焊縫在核化工容器中比較少見(jiàn)，且由于母材壁厚較薄，易燒穿；而對(duì)于母材厚度大于14 mm的對(duì)接焊縫，由于母材較厚不易焊透。故此兩種厚度范圍在核化工容器制造中，均不適合采用等離子弧焊。

下面從加工經(jīng)濟(jì)性和焊縫合格率兩個(gè)方面，對(duì)經(jīng)某乏燃料后處理廠(chǎng)核化工容器制造驗(yàn)證的坡口優(yōu)化方案，作對(duì)比介紹。

2.1 對(duì)厚度4 mm≤t≤8 mm的坡口

對(duì)于圖1所示的坡口結(jié)構(gòu)，采用的焊接方法為：PAW（自熔）＋PAW（填絲），即第一層采用自動(dòng)等離子自熔焊打底，同時(shí)需要配合使用Ar≥99.99%含量的氬氣保護(hù)，再打磨清理自熔焊焊道，然后進(jìn)行第二層自動(dòng)等離子填絲焊蓋面，這樣就完成整條焊縫的焊接。

1）加工經(jīng)濟(jì)性。

圖1所示的坡口結(jié)構(gòu)加工極為方便。只要切割下料后，根據(jù)不同下料方法，去除相應(yīng)的熱影響區(qū)即可，不必專(zhuān)門(mén)加工出帶角度的坡口，便可直接用于接頭對(duì)接焊。

根據(jù)工廠(chǎng)及行業(yè)經(jīng)驗(yàn)，不銹鋼采用等離子切割下料，通常需要去除的熱影響區(qū)寬度應(yīng)不小于3 mm[3]，而采用激光切割或剪切下料，因熱影響區(qū)寬度區(qū)域極小，甚至可忽略不計(jì)，只要將切割面輕微拋磨平整即可。

2）焊縫合格率。

圖1所示的坡口對(duì)接焊縫，由于對(duì)接接頭是直接切割下料而成，通常對(duì)接接頭尺寸控制非常好，因此焊接質(zhì)量非常穩(wěn)定，焊縫外觀美觀、平滑均勻（如圖2），焊后基本上不需要，且焊縫射線(xiàn)檢測(cè)合格率均為100%。

圖1 適用厚度4 mm≤t≤8 mm

圖2 焊縫表面狀況

2.2 對(duì)厚度8 mm＜t≤10 mm的坡口

對(duì)于圖3所示的坡口結(jié)構(gòu)，采用的焊接方法為：PAW（自熔）＋GTAW（填絲），即第一層在坡口側(cè)采用自動(dòng)等離子自熔焊打底，同時(shí)需配合使用Ar≥99.99%含量的氬氣保護(hù)，再打磨清理自熔焊焊道，然后第二層開(kāi)始，采用自動(dòng)鎢極氬弧填絲焊，直至焊滿(mǎn)。

圖3 適用厚度8 mm＜t≤10 mm

需要說(shuō)明的是：與自動(dòng)等離子填絲焊相比，自動(dòng)氬弧填絲焊熔池寬度要大得多，所以焊縫成形狀態(tài)更好，焊接效率也更高。因此，此處選用自動(dòng)氬弧填絲焊更為合理。

1）加工經(jīng)濟(jì)性。

圖3中有優(yōu)化前、后兩種坡口方案，前、后坡口鈍邊厚度和角度有所不同。優(yōu)化后坡口鈍邊厚度減小，坡口角度增大，也就是說(shuō)坡口母材加工量略微有所增加。由于兩種方案的坡口均需通過(guò)刨邊的方式加工而成，且由于坡口鈍邊厚度與角度變化引起的加工量增加很小，故從坡口加工經(jīng)濟(jì)性來(lái)說(shuō)，該變化影響微乎其微。但是，該坡口結(jié)構(gòu)尺寸的變化對(duì)焊縫合格率的影響卻極為明顯。

2）焊縫合格率。

圖3所示的坡口結(jié)構(gòu)優(yōu)化的目的，是為了更好地發(fā)揮等離子弧焊的最佳焊接效能：其中減小鈍邊厚度，可以更好地改善焊縫的熔透性，消除未熔合缺陷；增加坡口角度的目的是使等離子弧焊機(jī)機(jī)頭盡量接近焊縫表面，確保坡口根部能完全熔透。經(jīng)過(guò)以上優(yōu)化，焊縫合格率穩(wěn)定保持在99%以上。

2.3 對(duì)厚度10 mm＜t≤14 mm的坡口

對(duì)于圖4所示的坡口結(jié)構(gòu)，焊接方法同樣也采用PAW（自熔）＋GTAW（填絲），即第一層在坡口側(cè)采用自動(dòng)等離子自熔焊打底，同時(shí)需配合使用Ar≥99.99%含量的氬氣保護(hù)，再打磨清理自熔焊焊道，然后第二層開(kāi)始，采用自動(dòng)鎢極氬弧填絲焊，直至焊滿(mǎn)。只是由于坡口填充空間較大，自動(dòng)鎢極氬弧填絲焊的道數(shù)要更多。1）加工經(jīng)濟(jì)性。

圖4 適用厚度10 mm＜t≤14 mm

圖4中也有優(yōu)化前、后兩種坡口方案。優(yōu)化后，坡口角度明顯減小，坡口結(jié)構(gòu)由帶鈍邊V型改為帶鈍邊U型。

從坡口加工方面來(lái)看，母材去除量增大，坡口結(jié)構(gòu)稍變復(fù)雜，加工難度隨之增加，加工設(shè)備選擇范圍變小。

但從焊接質(zhì)量方面來(lái)看，優(yōu)化后的坡口方案有效提高了焊縫質(zhì)量，大大降低了焊縫返修率，節(jié)約了返修成本，縮短了產(chǎn)品制造周期。

2）焊縫合格率。

圖4所示的坡口結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的主要變化為：鈍邊厚度減??；坡口結(jié)構(gòu)由帶鈍邊V型改為帶鈍邊U型、坡口角度明顯減小。這樣優(yōu)化的目的是減緩焊接時(shí)坡口根部熱量的流失速度，保證坡口根部的熱量短時(shí)間不會(huì)迅速擴(kuò)散，從而有利于焊縫的充分熔合。經(jīng)過(guò)以上優(yōu)化，焊縫合格率始終保持在98%以上。

3 等離子弧焊接注意事項(xiàng)

無(wú)論采用哪種等離子弧焊方法，為獲得成形良好的全焊透焊縫，對(duì)接縫的裝配間隙都有較嚴(yán)格的要求，通常不應(yīng)超過(guò)板厚的1/10，最大不應(yīng)超過(guò)0.5 mm[4]。因此，等離子弧焊對(duì)接縫的邊緣和坡口直線(xiàn)度及對(duì)接面的平整度要求較高。加工邊緣和坡口時(shí)，要嚴(yán)格控制加工誤差，要采用熱輸入量小的加工設(shè)備，如激光切割、精密剪切機(jī)、線(xiàn)切割、刨邊機(jī)等設(shè)備。

為防止工件變形并控制工件接縫的錯(cuò)邊不超過(guò)板厚的0.2倍（最大不超過(guò)1.0 mm），要求裝焊時(shí)，采用相應(yīng)的夾裝置，并盡量增加點(diǎn)焊位置。

縱縫等離子弧焊時(shí)，在接縫的兩端應(yīng)裝上引滅弧板。這樣，等離子弧焊穿透的小孔可在一端引滅弧板上產(chǎn)生，在另一端引滅弧板上收孔。在這種情況下，不必對(duì)引弧和收弧技術(shù)提出較高的要求。環(huán)縫焊接時(shí)，上述過(guò)程都是在焊縫上完成的，因此必須按焊接工藝規(guī)程的要求遞增和衰減焊接電流和離子氣，以保證小孔穿透點(diǎn)和收孔點(diǎn)處的焊縫具有符合要求的外形。

根據(jù)不同材料和厚度，需要進(jìn)行多次試驗(yàn)，經(jīng)過(guò)多次調(diào)試，最終選取一組穩(wěn)定的焊接參數(shù)，如電流、電弧電壓、焊接速度、氬氣成分和流量，才能從根本上保證焊縫表面成形美觀，焊縫合格率高。

4 成果應(yīng)用和存在的問(wèn)題

采用該優(yōu)化后的坡口結(jié)構(gòu)實(shí)施等離子弧焊，已成功運(yùn)用于某乏燃料后處理廠(chǎng)核化工容器制造中，已完成120多臺(tái)核化工容器的縱、環(huán)焊縫焊接，焊接效率大大提高。同時(shí)，焊縫一次性合格率從優(yōu)化前的不足70%，大幅提高至98%以上。同時(shí)應(yīng)注意對(duì)現(xiàn)行的坡口結(jié)構(gòu)，可根據(jù)今后生產(chǎn)過(guò)程中的經(jīng)驗(yàn)積累，還可以有持續(xù)優(yōu)化的空間。

另外，根據(jù)各個(gè)制造廠(chǎng)實(shí)際情況，對(duì)于本文中描述的自動(dòng)等離子自熔焊+自動(dòng)鎢極氬弧填絲焊的焊接方法，也可以采用自動(dòng)等離子填絲焊代替其中的自動(dòng)鎢極氬弧填絲焊，只是焊接效率有所降低罷了。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)某乏燃料后處理廠(chǎng)核化工容器制造技術(shù)要求的研究，從設(shè)計(jì)角度出發(fā)，經(jīng)過(guò)焊接工藝設(shè)計(jì)和一系列試驗(yàn)，加深了對(duì)影響等離子弧焊質(zhì)量的關(guān)鍵因素：根據(jù)不同的材料厚度，選擇相應(yīng)的坡口型式，同時(shí)考慮坡口鈍邊厚度、坡口角度，然后選擇對(duì)應(yīng)的焊接方法組合方式，經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)，最后選取一組穩(wěn)定的焊接參數(shù)，最終達(dá)到提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本的目的。