壓水堆核電站主管道窄間隙自動(dòng)焊用焊絲研究

朱德才 李付良 聶巖 李予衛(wèi)

摘 要：焊接填充材料不僅影響焊接過程的穩(wěn)定性、焊接接頭的性能和質(zhì)量，同時(shí)也影響焊接效率。壓水堆核電站建設(shè)中主管道傳統(tǒng)手工焊接用的填充材料是ER316L，該材料焊接性能穩(wěn)定，易于操作。主管道窄間隙自動(dòng)焊采用窄間隙坡口和單層單道焊接技術(shù)，該工藝需要焊絲具有更好的熔池流動(dòng)性和更高的純凈度以保證焊縫成形質(zhì)量，該文就上述要求對(duì)自動(dòng)焊專用焊絲進(jìn)行研究。

關(guān)鍵詞：核島安裝 主管道 自動(dòng)焊 焊絲

中圖分類號(hào)：TG404 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2012）12（a）-00-02

核電站主管道是連接核島主設(shè)備的大厚壁承壓管道，是核電站的“主動(dòng)脈”，其焊接質(zhì)量直接影響電站的安全運(yùn)行。采用傳統(tǒng)手工電弧焊進(jìn)行主管道焊接時(shí)，每個(gè)焊縫需要兩名優(yōu)秀焊工同時(shí)焊接35d完成，工作量大、勞動(dòng)強(qiáng)度高、施工環(huán)境惡劣。目前，我國(guó)核電建設(shè)已進(jìn)入快速發(fā)展時(shí)期，傳統(tǒng)手工焊工藝已難適應(yīng)核電批量化建設(shè)需求，采用高效穩(wěn)定的窄間隙自動(dòng)焊技術(shù)是必然趨勢(shì)。另外，我國(guó)部分在役電站已運(yùn)行近20年，正面臨主設(shè)備維修和更換問題，自動(dòng)焊技術(shù)在強(qiáng)輻射環(huán)境下實(shí)施作業(yè)具有不可替代的優(yōu)勢(shì)。因此，在主管道焊接中引入自動(dòng)焊技術(shù)非常必要，相應(yīng)焊絲的研究和開發(fā)同樣關(guān)鍵。

1 自動(dòng)焊工藝特點(diǎn)

1.1 窄間隙坡口

相比傳統(tǒng)手工焊坡口，自動(dòng)焊窄間隙坡口具有可減小焊接的殘余應(yīng)力和變形、提高焊接接頭質(zhì)量、減少焊縫金屬的填充量、降低生產(chǎn)成本和提高生產(chǎn)率等優(yōu)勢(shì)。但窄間隙坡口由于坡口角度較小，兩側(cè)基本處于垂直狀態(tài)，因此在焊接過程中，坡口側(cè)壁是發(fā)生未熔合概率高的區(qū)域。

圖1 手工焊和自動(dòng)焊坡口圖對(duì)比

1.2 單層單道焊接工藝

該工藝具有生產(chǎn)效率高，適合大厚壁管道，焊縫搭接處不平整容易出現(xiàn)未熔合、氣孔等缺陷。

圖2 單層單道焊接工藝

2 自動(dòng)焊焊絲研究

自動(dòng)焊在焊接工藝、焊接材料和檢測(cè)技術(shù)等均與手工焊存在較大差異，同時(shí)我國(guó)現(xiàn)行核電建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)自動(dòng)焊的相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)尚未明確，焊接配套設(shè)備、工藝參數(shù)、焊材和檢測(cè)技術(shù)等需進(jìn)行開發(fā)、改進(jìn)和完善。核電建設(shè)中主管道傳統(tǒng)焊接中采用的填充材料是ER316L，該材料焊接性能穩(wěn)定，易于操作。主管道窄間隙自動(dòng)焊采用窄間隙坡口和單層單道焊接技術(shù)，該工藝需要焊材具有更好的熔池流動(dòng)性和更高的純凈度以保證焊縫成形質(zhì)量，因此需對(duì)ER316L焊材組成進(jìn)行調(diào)整以適應(yīng)自動(dòng)焊工藝要求。

由于主管道中的工作介質(zhì)高溫、高流速和強(qiáng)輻射等特點(diǎn)，主管道自動(dòng)焊焊絲除了要求熔池流動(dòng)性好外，還需要綜合考慮其它元素含量對(duì)其焊縫質(zhì)量的影響，如：

磷元素（P）：P在焊縫中是一種有害元素。在熔池快速結(jié)晶時(shí)，P易發(fā)生偏析且分布于晶界，減弱了晶粒間的結(jié)合力，同時(shí)它本身既硬又脆。這就增加了焊縫金屬的冷脆性，即沖擊韌性降低，脆性轉(zhuǎn)變溫度升高。P元素在奧氏體不銹鋼焊縫中還能促使形成結(jié)晶裂紋，因此需限制焊材中P的

含量；

硫元素（S）：S在熔池結(jié)晶時(shí)容易發(fā)生偏析分布與晶界，從而增加了焊縫金屬產(chǎn)生結(jié)晶裂紋的傾向，同時(shí)還會(huì)降低沖擊韌性和抗腐蝕性；

銅元素（Cu）：Cu在焊縫中可提高強(qiáng)度和韌性，也能提高抗大氣腐蝕性能。但是Cu在焊接時(shí)容易產(chǎn)生熱脆，Cu含量高塑性顯著降低，且對(duì)焊材的可焊性也有不利影響；

鈷元素（Co）：由于主管道工作介質(zhì)屬于強(qiáng)輻射環(huán)境，為減少輻射影響需要降低焊材中的Co元素含量；

硼元素（B）：焊縫中含微量的B可以改善焊縫的致密性，提高強(qiáng)度。但是B對(duì)可焊性非常不利，一般要求奧氏體不銹鋼中不加B；

硅元素（Si）：Si含量提高，可以降低熔滴金屬的表面張力，使熔滴顆粒變細(xì)，更容易實(shí)現(xiàn)噴射過度，使電弧變得更穩(wěn)定。

根據(jù)上述分析，在自動(dòng)焊焊材開發(fā)過程，通過提高焊絲中Si含量可以降低熔滴金屬的表面張力，使熔滴顆粒變細(xì)，更容易實(shí)現(xiàn)噴射過度，使電弧變得更穩(wěn)定，同時(shí)還能改善熔滴金屬的濕潤(rùn)性，從而增加了熔池流動(dòng)性，減少產(chǎn)生未熔合缺陷的風(fēng)險(xiǎn)。

同時(shí)，為了保證主管道的焊接質(zhì)量，除了改變焊絲中Si含量外，還調(diào)整了其他相關(guān)化學(xué)元素組分，開發(fā)出與窄間隙自動(dòng)焊技術(shù)相匹配的316S93（N）C MIDI SPOOL焊絲。

3 工藝匹配性試驗(yàn)

3.1 熱裂紋試驗(yàn)

焊絲中提高Si元素含量，有可能增加焊縫的熱裂紋傾向的概率。因此需要在焊接過程中模擬現(xiàn)場(chǎng)產(chǎn)品拘束狀態(tài)，并在焊接過程中實(shí)施層間PT和在最終焊縫上進(jìn)行金相檢測(cè)等方式來檢驗(yàn)焊縫是否存在熱裂紋。在焊接過程中我們將線能量和層間溫度均保持在參數(shù)的上限。另外，我們通過增加配重模擬焊接過程中的拉應(yīng)力來模擬現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際產(chǎn)品的焊接過程。

在焊接過程中對(duì)試驗(yàn)管道進(jìn)行配重以模擬產(chǎn)品焊接過程的拘束狀態(tài)，增加熱輸入以增大焊縫的熱裂紋傾向，在焊接過程中實(shí)施分層液體滲透檢測(cè)（PT）和在最終焊縫上進(jìn)行10X宏觀金相和200X微觀金相進(jìn)行檢驗(yàn)，確認(rèn)焊縫是否存在熱裂紋。具體實(shí)施如下。

a）焊接過程中進(jìn)行分層PT；

使用316S93（N）C MIDI SPOOL焊絲完成第一道焊接后進(jìn)行PT檢驗(yàn)，之后每三層進(jìn)行一次PT檢測(cè)，觀察裂紋情況。

b）在最終焊縫上進(jìn)行宏觀金相檢驗(yàn)；

在上述完成的主管道自動(dòng)焊焊縫上取6個(gè)方向的宏觀（10X）和微觀金相（200X），微觀金相在每個(gè)宏觀金相試樣上截取包括熔敷金屬、熔合線和熱影響區(qū)（取樣位置如圖3所示），觀察最終確定是否存在裂紋。

c）配重試驗(yàn)

試驗(yàn)簡(jiǎn)圖如圖4所示。龍門架是支撐，把整個(gè)裝置懸掛起來，上管段和下管段焊接在一起，吊索連接各個(gè)部件。

圖3 金相取樣位置圖

圖4 實(shí)驗(yàn)示意圖

d）試驗(yàn)過程

在焊接過程中實(shí)施分層PT，即用316S93（N）C MIDI SPOOL焊絲完成第一道焊接后進(jìn)行PT檢驗(yàn)，之后每三層進(jìn)行一次PT檢測(cè)。由于焊接可能產(chǎn)生的熱裂紋包括液化裂紋和結(jié)晶裂紋，因此整個(gè)試驗(yàn)過程分兩次進(jìn)行。

結(jié)晶裂紋：產(chǎn)生于焊縫金屬結(jié)晶過程末期的“脆性溫度”區(qū)間，此時(shí)晶粒間存在著薄的液相層，因而金屬塑性極低，由冷卻的不均勻收縮而產(chǎn)生的拉伸變形超過了允許值時(shí)，即沿晶界液層開裂。

液化裂紋：主要產(chǎn)生于焊縫熔合線附近的母材中，有時(shí)也產(chǎn)生于多層焊的先施焊的焊道內(nèi)。形成原因是由于在焊接熱的作用下，焊縫熔合線外側(cè)金屬內(nèi)產(chǎn)生沿晶界的局部熔化，以及在隨后冷卻收縮時(shí)引起的沿晶界液化層開裂。造成這種裂紋的情況有二：一是材料晶粒邊界有較多的低熔點(diǎn)物質(zhì)；另一種是由于迅速加熱，使某些金屬化合物分解而又來不及擴(kuò)散，致局部晶界出現(xiàn)一些合金元素的富集甚至達(dá)到共晶成分。

e）試驗(yàn)結(jié)果；

對(duì)結(jié)晶裂紋和液化裂紋分別進(jìn)行了試驗(yàn)，PT檢測(cè)和金相檢測(cè)均未發(fā)現(xiàn)裂紋，結(jié)果合格。

圖5 MA1-MA6金相試驗(yàn)

3.2 晶間腐蝕試驗(yàn)

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)RCC-M要求，熔敷金屬晶間腐蝕試樣需要在向上立焊和向下立焊位置分別取樣，取樣位置相差180 °。另外，在晶間腐蝕前需先進(jìn)行敏化處理（在5 min內(nèi)，加熱到725±10 ℃，保溫30 min，然后以60±5 ℃/h的速度冷卻到500 ℃，之后空冷）。試驗(yàn)結(jié)果均為無晶間腐蝕傾向。

綜上所述，此316S93（N）C MIDI SPOOL焊絲與自動(dòng)焊工藝和主管道匹配良好，不產(chǎn)生熱裂紋傾向和晶間腐蝕傾向。

3 自動(dòng)焊焊接接頭與手工焊焊接接頭性能比較

對(duì)比手工電弧焊和自動(dòng)焊的金相和工藝評(píng)定性能數(shù)據(jù)，自動(dòng)焊焊接接頭的熱影響區(qū)比焊條電弧焊更小，焊縫更加致密，且自動(dòng)焊焊接接頭的熔敷金屬延伸率和接頭沖擊性能比手工電弧焊提高約20%。

4 結(jié)語(yǔ)

通過對(duì)焊接填充材料中微量元素的分析，在ER316L焊絲的基礎(chǔ)上，研究出與窄間隙自動(dòng)焊技術(shù)相匹配的316S93（N）C MIDI SPOOL焊絲。通過大量工藝性能、熱裂紋和晶間腐蝕等實(shí)驗(yàn)分析焊絲與工藝的匹配性及焊接接頭的理化性能實(shí)驗(yàn)，證明該焊絲不但與窄間隙自動(dòng)焊工藝相匹配，而且雜質(zhì)少、純凈度高、焊接流動(dòng)性好，利于焊縫成形和提高焊縫接頭質(zhì)量。