全位置不銹鋼內(nèi)壁堆焊技術(shù)研究

劉萬存，袁亮文，趙 佳

(一重集團(tuán) 大連核電石化有限公司，遼寧大連 116113)

0 引言

模塊式小型反應(yīng)堆作為一種安全、經(jīng)濟(jì)的核電新堆型，是國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)(IAEA)鼓勵(lì)發(fā)展和利用的一個(gè)核能開發(fā)新方向。在這種堆型的制造過程中，面臨眾多技術(shù)問題，尤其是接管內(nèi)壁全位置堆焊裝備與工藝決定著整臺(tái)套產(chǎn)品能否順利制造，這對(duì)堆型的自主制造起著關(guān)鍵性作用[1-5]。

全位置不銹鋼堆焊技術(shù)基于某反應(yīng)堆壓力容器實(shí)際工程需求而開發(fā)，主要目的是減少大型焊接工裝，減少平位置(PA)、橫位置(PC)堆焊變位工裝。優(yōu)化生產(chǎn)工藝流程，不局限于組件階段堆焊，可靈活選擇堆焊階段，提高生產(chǎn)制造效率。拓寬堆焊材料，開發(fā)鎳基隔離層堆焊、低合金鋼等材料全位置堆焊技術(shù)，推廣應(yīng)用于ACP100同類型小型堆的關(guān)鍵部位堆焊或焊接[6-9]。

1 內(nèi)壁堆焊技術(shù)開發(fā)

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)設(shè)備采用TP060管板焊接機(jī)頭經(jīng)過升級(jí)改造，再將其焊接機(jī)頭與小型操作機(jī)相連接，如圖1所示。通過升級(jí)改造，該設(shè)備峰值電流、基值電流、脈沖頻率、焊接速度、電弧電壓、脈動(dòng)送絲速度均可設(shè)定，滿足全位置TIG工藝開發(fā)要求。

1.2 焊接工藝

全位置內(nèi)壁堆焊需要保證每層焊道的厚度、寬度相同，進(jìn)而保證整個(gè)堆焊層表面平整、厚度均勻一致。全位置堆焊過程中焊接位置連續(xù)變化，焊接熔池受重力、電弧力不同導(dǎo)致焊道成形不同，因此為獲得良好焊道成形，需要在不同的焊接位置控制峰值電流、基值電流、脈沖頻率、焊接速度、電弧電壓、脈動(dòng)送絲速度(必要時(shí))等焊接參數(shù)。全位置焊接過程焊槍及送絲位置如圖2所示。

圖1 試驗(yàn)件焊接設(shè)備組成示意Fig.1 Schematic diagram of welding equipment fortest parts

(a)

1.2.1 分區(qū)設(shè)定

由于焊縫不同空間位置選用相同的焊接參數(shù)，采用自動(dòng)焊會(huì)顯著影響焊縫成形和質(zhì)量，不能保證焊縫成形一致。為了充分發(fā)揮全位置自動(dòng)TIG焊接的優(yōu)點(diǎn)，將每層焊道平均劃分12個(gè)區(qū)間進(jìn)行焊接，從最低端(6點(diǎn)鐘方向)定義為0°，順時(shí)針每30°劃分為一個(gè)焊接區(qū)，共計(jì)12區(qū)，如圖3所示。起弧位置為時(shí)鐘6：00位置，在最后分區(qū)(第12分區(qū))設(shè)置收弧搭接量3°～5°，保證收弧位置焊縫飽滿。

(a)

(b)圖3 12個(gè)分區(qū)設(shè)定Fig.3 Settings of 12 zones

1.2.2 焊接規(guī)范

根據(jù)前期大量的試驗(yàn)，選取焊縫成形較好的焊接工藝參數(shù)作為全位置內(nèi)壁堆焊時(shí)的焊接規(guī)范，在1～12分區(qū)中，以下焊接參數(shù)保持相同，分別為送絲速度2200/1800 mm/min，焊接速度140 mm/min，純氬氣流量21 L/min，占空比50%，拐道距離5 mm。在1～12分區(qū)中，峰/基值電流、電弧電壓參數(shù)時(shí)刻發(fā)生變化，如表1所示。其中，采用99.99%的純氬氣作為保護(hù)氣；拐道距離是指完成一圈完整焊道后，需要偏移鎢極位置，保證下一道與當(dāng)前道融合良好所產(chǎn)生的距離。拐道距離S與焊縫寬度L的關(guān)系為：

S=L/2+k

其中，系數(shù)k一般取0.4～0.6之間，此全位置內(nèi)壁堆焊工藝開發(fā)過程中取k=0.5。利用此拐道距離可以獲得較好的搭接量，保證每個(gè)焊道成形平滑，減少打磨量，如圖4所示。

1.2.3 弧壓檢測(cè)與控制

采用自行設(shè)計(jì)制造的弧壓采集模塊，正常焊接過程中，弧壓參數(shù)設(shè)定如表2所示。

表1 全位置內(nèi)壁堆焊各分區(qū)變化工藝參數(shù)Tab.1 All-position inner wall surfacing process parametersfor different welding zones

圖4 首層焊縫成形情況

在焊接過程中對(duì)其原始電壓信號(hào)進(jìn)行濾波處理，電弧電壓、峰基值時(shí)間進(jìn)行采集與記錄，峰值弧壓與基值弧壓在500 mv范圍內(nèi)波動(dòng)，峰基值周期250 ms，占空比50%。

表2 弧壓設(shè)定參數(shù)Tab.2 Arc voltage setting parameters

1.2.4 送絲位置設(shè)定

經(jīng)過多次焊接工藝試驗(yàn)后，推薦最合適的全位置內(nèi)壁堆焊時(shí)，鎢極與焊絲相對(duì)參數(shù)及相對(duì)位置如圖5所示，其中內(nèi)徑D為具體產(chǎn)品固定值，內(nèi)徑D變化時(shí)，參數(shù)Se，Def，Sf，H，A需前后保持一致性。

2 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)件為45#鋼管，外徑為275 mm，內(nèi)徑為195 mm，長(zhǎng)度160 mm，采用?0.9 mm的ER308L焊絲，一共堆焊4層，堆焊后，內(nèi)徑?179.5 mm,厚度7.75 mm，每層平均堆焊厚度1.9 mm。將堆焊試件加工至內(nèi)徑180.5 mm后，進(jìn)行PT，UT無損檢測(cè)。從堆焊層、焊接熱影響區(qū)分別截取力學(xué)試樣、金相試樣、化學(xué)試樣、晶間腐蝕試樣等，其中金相組織、晶間腐蝕等試樣件經(jīng)打磨、拋光、腐蝕后，采用光學(xué)顯微鏡觀察微觀組織。母材與焊接材料化學(xué)成分如表3所示。

表3 ER308L焊絲及母材化學(xué)成分Tab.3 Chemical composition of ER308L wire and base metal %

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 堆焊層宏觀形貌

圖6為全位置內(nèi)壁不銹鋼堆焊后的焊縫宏觀形貌，焊接表面魚鱗紋平整、均勻，成形良好。經(jīng)堆焊、內(nèi)壁加工、打磨工序后，按照NB/T 20003—2010《核電廠核島機(jī)械設(shè)備無損檢測(cè)》，100%內(nèi)壁堆焊層進(jìn)行PT，UT檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果全部合格。

圖6 焊縫表面形貌

3.2 焊縫余高與寬度

10組典型焊接工藝參數(shù)如表4所示，其中P1為峰值/基值電流，P2為電弧電壓，其余焊接參數(shù)在10組焊接參數(shù)中保持不變，故在表4中未列出。根據(jù)表4典型工藝參數(shù)，進(jìn)行對(duì)比分析，從圖7中對(duì)比可以得出12分區(qū)內(nèi)焊縫余高偏差在0.3 mm之內(nèi)，焊縫寬度偏差在0.9 mm之內(nèi)。初步得到在3,4,5分區(qū)的焊縫余高較其他位置偏高0.2 mm，其余位置都基本保持余高一致，維持在1.5 mm左右；3,4,5分區(qū)的焊縫寬度較其他焊縫寬度偏大0.5 mm，其余位置都基本保持焊縫寬度一致，維持在9.1 mm左右。

表4 10組典型焊接工藝參數(shù)Tab.4 Ten groups of typical welding process parameters

從圖7可以看出，3～4分區(qū)的堆焊層厚度較其他分區(qū)的堆焊層厚度厚，分析原因是在上坡焊接過程中，熔池內(nèi)的金屬受到表面張力的作用強(qiáng)于其他位置，熔池不容易鋪展開，使上坡時(shí)的3,4,5分區(qū)焊縫窄而高所致。

圖7 各分區(qū)的焊縫余高與焊縫寬度Fig.7 Weld reinforcement and width in each zone

為了使各分區(qū)的堆焊層厚度與寬度基本趨于一致，合理選擇每層堆焊起弧位置，每焊接完一層，適當(dāng)改變起弧位置，避免多層焊接時(shí)接頭應(yīng)力集中；保證12分區(qū)每道焊縫都基本保持堆焊層厚度、寬度一致，焊縫成形美觀。ER308L堆焊完成后，厚度達(dá)到7.75 mm。

3.3 堆焊層組織

3.3.1 金相檢測(cè)

采用倒置式金相顯微鏡，按照GB/T 13298—2015《金屬顯微組織檢驗(yàn)方法》，對(duì)其垂直于或平行于堆焊層融合線區(qū)域(包括母材、堆焊層、熱影響區(qū)以及熔合線橫向/縱向區(qū)域)的金相組織進(jìn)行檢測(cè)，如圖8所示。金相組織結(jié)果顯示：母材為45#鋼，組織為鐵素體+珠光體組織(見圖8(a))；堆焊層為奧氏體+鐵素體組織(見圖8(b))；熱影響區(qū)為貝氏體組織(見圖8(c))。試樣均未有顯微裂紋和影響接頭性能的沉淀物，滿足技術(shù)條件要求。

圖8 母材、堆焊層、熱影響區(qū)微觀組織形貌

3.3.2 宏觀金相

圖9 宏觀金相照片

3.4 力學(xué)性能試驗(yàn)

3.4.1 沖擊性能

該試驗(yàn)測(cè)定金屬材料抗缺口敏感性(韌性)。按照GB/T 2650—2008《焊接接頭沖擊試驗(yàn)方法》加工10 mm×10 mm×55 mm的試驗(yàn)件。根據(jù)JFS-420300-JT39反應(yīng)堆壓力容器不銹鋼內(nèi)壁堆焊工藝技術(shù)要求，采用落錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)與夏比沖擊試驗(yàn)降溫儀進(jìn)行0 ℃與20 ℃徑向焊接熱影響區(qū)距熔合線1，4 mm處的夏比沖擊試驗(yàn)[10-12]。不同位置沖擊試驗(yàn)結(jié)果見表5?？梢钥闯?，熱區(qū)距熔合線1 mm處沖擊性能滿足要求，但熱區(qū)距熔合線4 mm處沖擊性能不滿足要求。

表5 沖擊性能試驗(yàn)結(jié)果Tab.5 Impact performance test results

對(duì)其堆焊層熱區(qū)距熔合線4 mm處沖擊吸收能量低于正常值的情況進(jìn)行了深入分析，可能有以下原因。

(1)母材的含碳量偏高，特別是距離熔合線1 mm 處含碳量將高于母材含碳量；

(2)未堆焊過渡層ER309L，直接在45#鋼上進(jìn)行ER308L堆焊，沒有起到基材與奧氏體面層的過渡，導(dǎo)致在結(jié)合面上存在微裂紋或未超標(biāo)缺陷。

3.4.2 彎曲性能

圖10 彎曲試件Fig.10 Bending specimen

彎曲試驗(yàn)主要用來檢測(cè)焊縫材料在經(jīng)受彎曲負(fù)載作用時(shí)的性能，評(píng)價(jià)焊縫金屬材料的彎曲強(qiáng)度和塑性變形的大小。按照GB/T 2653—2008《焊接接頭彎曲試驗(yàn)方法》，試樣加工尺寸為10 mm×47.5 mm×160 mm，數(shù)量為2個(gè)，彎曲夾具D=4a，α=180°，試樣彎曲180°后，拉伸面上不允許出現(xiàn)任何明顯開裂，單個(gè)裂紋、氣孔、夾渣的長(zhǎng)度均不大于1.5 mm。試驗(yàn)結(jié)果表明：在堆焊層側(cè)彎未出現(xiàn)裂紋縫隙，如圖10所示。該項(xiàng)材料理化性能指標(biāo)滿足技術(shù)要求。

3.5 晶間腐蝕試驗(yàn)

按照GB/T 4334—2008《金屬和合金的腐蝕 不銹鋼晶間腐蝕試驗(yàn)方法》，試樣加工尺寸為3 mm×10 mm×50 mm。采用電子萬能試驗(yàn)機(jī)，彎曲試樣180°，彎曲直徑等于試樣厚度，彎曲后在10倍放大鏡下觀察，不允許有晶間腐蝕引起的裂紋或者開裂傾向。觀察結(jié)果表明，對(duì)縱向堆焊層試樣的三種狀態(tài)(PWHT、PWHT+敏化態(tài)(700±10 ℃×0.5 h)、焊態(tài))進(jìn)行晶間腐蝕試驗(yàn)，均沒有發(fā)現(xiàn)晶間腐蝕裂紋及傾向，滿足技術(shù)條件要求。

3.6 宏觀硬度測(cè)定

按照GB/T 2654—2008《焊接接頭硬度試驗(yàn)方法》，取10 mm×30 mm×100 mm試樣(PHWT)，在堆焊層厚度方向上進(jìn)行硬度分布曲線測(cè)定，此厚度方向上包括堆焊層、焊接熱影響區(qū)、母材3個(gè)區(qū)。每區(qū)測(cè)5點(diǎn)，焊接熱影響區(qū)測(cè)量點(diǎn)之間距離0.5 mm，堆焊層與母材區(qū)測(cè)量點(diǎn)之間距離1 mm，載荷98 N，按照要求焊接熱影響區(qū)硬度HV≤320。

圖11 堆焊層、母材、焊接熱影響區(qū)硬度分布Fig.11 Hardness distribution of hardfacing layer,base metal and HAZ

堆焊層、母材、焊接熱影響區(qū)硬度分布測(cè)試結(jié)果如圖11所示?？梢钥吹?，熱影響區(qū)硬度最高，是由于熱影響區(qū)滲碳體析出較多造成的；堆焊層和母材硬度基本相同。由于熱影響區(qū)在每一次焊接過程中都相當(dāng)于進(jìn)行了一次熱處理，晶粒長(zhǎng)大，導(dǎo)致熱影響區(qū)硬度高于焊縫。堆焊層、母材、熱區(qū)硬度都滿足技術(shù)要求。

3.7 化學(xué)分析

采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(ICP)、氧氮?dú)浞治鰞x以及碳硫分析儀，根據(jù)GB/T 20123—2006《鋼鐵總碳硫含量的測(cè)定 高頻感應(yīng)爐燃燒后紅外吸收法》、GB/T 20124—2006《鋼鐵 氮含量的測(cè)定 惰性氣體熔融熱導(dǎo)法》、GB/T 20125—2006《低合金鋼 多元素的測(cè)定 電感耦合等離子體發(fā)射光譜法》、GB/T 223.81—2007《鋼鐵及合金 總鋁和總硼含量的測(cè)定 微波消解-電感耦合等離子體質(zhì)譜法》，對(duì)堆焊完工的焊態(tài)表面磨去0.5 mm后的2 mm深度范圍內(nèi)取得屑狀成分進(jìn)行化學(xué)檢測(cè)，檢測(cè)的化學(xué)元素含量見表6。

表6 堆焊層金屬化學(xué)成分Tab.6 Chemical composition of surfacing layer metal %

從表6可以看出，焊縫中Cr，Ni主要元素的含量分別為21.14%，10.33%，基本與填充金屬一致，堆焊層稀釋率低；而且焊縫金屬中C元素含量0.02%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于母材金屬C元素的含量，在保證堆焊層強(qiáng)度的同時(shí)，韌性增強(qiáng)，有效控制了焊縫金屬中C元素的含量。

4 結(jié)語

(1)合理設(shè)置最后分區(qū)參數(shù)值，在最后分區(qū)(第12分區(qū))設(shè)置收弧搭接量3°～5°，保證收弧位置焊縫飽滿；分區(qū)設(shè)定不同的焊接工藝參數(shù)，可以保證12分區(qū)每道焊縫都基本保持焊縫余高、寬度一致，焊縫成形美觀。

(2)全位置不銹鋼堆焊技術(shù)的開發(fā)，可減少大型焊接工裝，減少平位置(PA)、橫位置(PC)堆焊變位工裝。優(yōu)化生產(chǎn)工藝流程，不局限于組件階段堆焊，可靈活選擇堆焊階段，提高生產(chǎn)制造效率。

(3)拓寬堆焊材料，為后續(xù)開發(fā)鎳基隔離層堆焊、低合金鋼等材料全位置堆焊技術(shù)提供前期工藝技術(shù)儲(chǔ)備。