窄间隙埋弧焊在核容器制造中的应用.docx
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窄间隙埋弧焊在核容器制造中的应用
窄间隙埋弧焊在核容器制造中的应用
窄间隙埋弧焊是厚板焊接的一项先进技术。
采用该技术可大量减少焊接填充量，因而节省大量焊材和工时，同时可获得更高质量的焊接接头。
利用国产材料和元器件研制成功了性能优良的窄间隙埋弧焊焊头，并将其应用到了核一级设备—稳压器的焊接，取得了良好效果。
窄间隙焊接是厚板焊接领域的一项先进技术。
与普通坡口的埋弧焊相比，窄间隙焊具有无可比拟的优越性。
如坡口窄、焊缝金属填充量少，可以节省大量的焊材和焊接工时；由于窄间隙焊时热输入量较低，使焊缝金属和热影响区的组织明显细化，从而提高其力学性能，特别是塑性和韧性。
然而要在深入母材很窄的坡口中实现无缺陷的焊接，难度是很大的。
除了精确制备工件坡口以外，还要从焊接方法、焊接设备、焊缝跟踪、工艺措施等方面解决一系列难题。
经焊接界多年努力，窄间隙焊已发展了多种气体保护焊方法和埋弧焊方法，在各方面取得了实际应用。
窄间隙气体保护焊与窄间隙埋弧焊相比，虽然前者间隙更窄、效率更高，但在电弧的稳定性、气体保护的有效性和电弧对磁场的敏感性等方面都可能出现问题，而且由于间隙更窄，一旦出现问题返修更为困难。
因而对于要求绝对可靠的大型核能容器来说，一般均选择后者而不选择前者。
近年来我们在窄间隙埋弧焊方面作了一定的工作，本文对窄间隙埋弧焊机头研制及窄间隙埋弧焊在核能容器中的应用情况作一介绍。
2窄间隙埋弧焊机头的研制
为了实现厚板的窄间隙埋弧焊接，首先必须具备窄间隙埋弧焊设备。
我厂于1985年进口的瑞典ESAB公司EHD焊机，设计为可进行窄间隙埋弧焊接。
但由于窄间隙埋弧焊机头价格昂贵，没有附带进口。
2.1机头的方案及结构设计
窄间隙埋弧焊接时，可进行每层一道、每层两道或每层三道焊接。
其中每层一道的焊接虽然效率较高，但易引起侧壁熔合不良、夹渣、焊缝成型系数过小（易引起结晶裂纹）、脱渣不易等问题，在窄间隙埋弧焊接中很少应用。
而每层三道则由于坡口的加宽而降低了效率。
因此，每层两道的焊接得到了普遍应用。
在每层两道的窄间隙埋弧焊接中，为了保证坡口侧壁的良好熔合而不出现夹渣等焊接缺陷，在每一个焊道焊接时，焊丝端头必须偏向各自接近的坡口侧壁。
为了实现这一点，目前流行的大致有两种方案，见图1。
图中方案A为导电嘴偏摆型，即导电嘴与电杆之间有一活动关节，在焊完一侧焊道后设法使它摆而偏向另一侧，导电杆始终处于坡口间隙的中心位置。
方案B为导电嘴旋转型，即导电嘴本身有一定弯度，每焊完一道后导电杆带着导电嘴一起旋转一定角度，这样焊丝端头亦会由坡口一侧偏向另一侧。
这两种方案各有优缺点，经过分析对比，我们选择了A型方案。
这是因为：
一、该方案导电部分可有较大宽度，承载能力较高，可使用较粗的焊丝（可用Φ4MM，而方案B只能用Φ3MM），可焊接的坡口深度较大；二、该方案与ESAB公司焊头相同，可以利用ESAB公司其它焊头的某些部件及原有控制线路，便于与原EHD焊机配合。
基于上述第二点同样的理由，接头自动跟踪装置设计为机械传感→光电转换、讯号放大→十字滑板执行的结构。
做到了能与原有EHD设备配套使用，达到了在垂直和水平两个方向的自动跟踪。
总之，我们设计的窄间隙埋弧焊机头主要参照了ESAB公司焊头的结构，但做了以下几方面的改进：
1）焊嘴部分的主体材料采用了既有良好机械性能、耐磨性又有良好的导电性能的铬锆铜而不是采用不锈钢，因而既有足够的强度、刚度，工作过程也较为稳定。
2）导电嘴的摆直接采用气缸驱动而不是气——液转换驱动，因而结构更为简单可靠。
3）导电部分的外表面采用了陶瓷喷涂而不是涂涂料，绝缘性良好且不易剥落。
4）增加了焊嘴垂直度调整机构，可保证焊头在焊接纵缝和环缝两种位置都能与工件保持垂直。
5）缩小了各附助部分的尺寸、减轻了重量，以便于与200×200MM2的小型十字滑板配合使用。
整个焊头由具有可摆导电嘴的焊嘴、自动跟踪装置、送丝机构、焊丝校直机构、摆驱动装置、焊剂撒放及回收装置、支架等部分组成。
2.2焊头的技术性能指标
经设计研制成功的焊头，可以与ESAB公司的EHD焊机配套使用（也可与其它焊机配套使用）。
其性能指标如下：
1）可伸入350MM深窄间隙坡口中焊接；
2）窄间隙坡口的尺寸：
根部宽18～24MM，坡口角度1～3°；
3）可对坡口进行垂直和水平两个方向自动跟踪，跟踪精度≤0.3MM；
4）适用焊丝Φ3mm～Φ4MM；
5）每层两个焊道，焊环缝时在每一焊道完成后，能自动转换到另一焊道连续焊接，直至整个焊缝焊完；
6）可在工件焊剂予热状态下连续工作。
2.3焊头试焊考核
焊头试制成后进行了一系列实际焊接考核试验。
2.3.1直缝焊接考核
试板：
16MnR，1000×250×100。
坡口：
见图2
焊材：
H10Mn2，Φ4。
焊剂：
SＪ101。
焊接规范：
Ｉ＝500～550A，Ｕ＝27～30V，V＝21～28M/H。
试板焊后刨除垫板，按RCC－MS7710要求进行超声探伤，未发现任何超标缺陷。
试板解剖后进行了金相宏观检查，证明焊道与母材、焊道与焊道间熔合良好，无任何宏观缺陷。
2.3.2环缝焊接考核
利用某铸锻厂锤头修复工作，进行了自制窄间隙埋弧焊焊头焊接环缝的考核试验。
线材：
ＺＧ20，Φ1270，δ＝170MM。
坡口：
底部宽20MM，角度3°底部带永久垫板。
焊材及焊接规范同直缝试板，焊前予热≥100℃。
该焊缝共两条，焊接过程稳定顺利，焊后经ＵT检查完全合格。
焊头考核试验完成后，1998年7月，工厂组织国内有关专家进行了评审，评审组认为“该机头具备了国内外同类焊接机头的功能，可以用于大型厚壁压力容器（如核容器、加氢反应器等）的窄间隙埋弧焊接”。
3窄间隙埋弧焊在核容器制造中的应用
某核电工程稳定器为核一级设备，属锻焊结构的大型压力容器。
整个容器由上下封头、三节筒体五大锻件组焊而成。
主体焊缝为四条Φ2M，厚度115MM的环焊缝，要求采用窄间隙埋弧焊接。
容器主体材料为法国核容器专用钢种16MND5（相当于A508－Ⅲ）锰镍相低合金钢。
为了焊接该容器，在对16MND5的焊接性进行了充分试验及其它工艺试验的基楚上，进行了窄间隙埋弧焊的焊接工艺评定。
评定用16MND5锻件尺寸为1500×250×115，两块对接。
锻件为正火+回火状态，其化学成分及机械性能见表1和表2。
表1工艺评定锻件的化学成分（%）
元素
C
Si
Mn
P
S
Cr
Nｉ
Mｏ
规定
≤0.20
0.10～0.30
1.15～1.55
≤0.012
≤0.012
≤0.25
0.5～0.80
0.45～0.55
钢水
0.19
0.18
1.34
0.006
0.003
0.03
0.73
0.51
元素
V
Cｕ
Aｌ
AS
SN
SB
Cｏ
B
规定
≤0.01
≤0.1
≤0.04
≤0.010
≤0.010
≤0.005
≤0.08
钢水
0.004
0.04
0.008
0.009
0.006
0.005
0.02
0.0001
表2工艺评定锻件的机械性能
项目
常温拉伸
360℃拉伸
0℃冲击
－20℃冲击
σB1MPA
σ0.21MPA
δ51％
Ψ1％
σ0.21MPA
σB1MPA
δ51％
Ψ1％
吸收功Ｊ
侧膨胀量MM
吸收功Ｊ
侧膨胀量MM
要求
552－670
≥400
≥20
提供数据
≥300
≥520
提供数据
提供数据
平均≥72最小56
平均≥56最小40
实测
615
465
26
72
405
585
26
74
150
172
145
1.91
2.06
1.88
108
111
144
1.42
1.47
1.90
610
460
27
74
410
565
21
76
RTNDT
要求
≤0℃ 若处于0℃～12℃之间，应测出实际值
实测
RTNDT＝-10℃
试验结果证明：
坡口底部宽度可在18～24MM变动，但以20MM宽较为适宜，过窄不便于操作且易生缺陷；过宽则大幅度增加焊接填充量，使得窄间隙焊的优点不能充分发挥；坡口角度一般为1～3°，这主要是为了补偿焊接过程中焊缝的收缩，使得焊缝整个截面上下宽窄基本一致。
对于厚度在100MM左右的接头来说，坡口角度取3°，单边1.5°即可。
更大厚度接头的坡口角度适当减少，以防止坡口表面过宽。
焊接材料选用了北京钢铁研究总院研制的H10Mn2NｉMｏA焊丝，配603HR焊剂。
该焊材组合是专门为核一级设备研制的，属国家“八五”科技攻关项目之一，已经通过了国家有关部门的鉴定。
通过试验，在工艺评定中采用的焊接规范参数如下：
焊丝直径Φ4MM，Ｉ＝500～550A，Ｕ＝27～29V，V＝24～28M/H。
焊前预热150℃，焊接过程中温度维持在150～250℃，焊后经最大模拟消除应力热处理（615×15H），并经各种无损检查（MT、PT、ＵT）完全合格。
焊接工艺评定试板经全面解剖，焊接接头的力学性能试验结果见表3、表4、表5。
焊缝金属的化学成分见表6。
表316MND5窄间隙埋弧焊接头拉伸性能
试样类型
取样位置
试验温度℃
σBMPA
σ0.2MPA
δ5％
Ψ％
AR％
备注
接头拉伸
全厚度
室温
626，647
矩形截面
接头拉伸
1/4厚处
360
520
415
园截面
熔敷金
属拉伸
1/4厚处
室温
594
511
27
76
园截面
焊缝根部
室温
566
484
27
78
园截面
1/2厚处0.035
360
525
415
23
园截面
注：
AR为在规定的σ0.2限值下保载五分钟的残余伸长量。
表416MND5窄间隙埋弧焊接头弯曲性能
试验类型
试样厚度MM
弯轴直经MM
弯曲角度
试验结果
面弯
30
120
180，180
完好
背弯
30
120
180，180
完好
侧弯
10
40
180，180
完好
以上所有试验结果均满足法国核电规范RCC－M及工程专用技术条件的要求。
与表2数据相比，焊接接头的性能增多不低于母材，特别是焊缝及热影响区的冲击韧性均比母材高，这充分体现了窄间隙焊的巨大优越性。
由于焊接试验及工艺评定工作深入细致，产品焊缝的焊接非常顺利。
四条主环焊缝焊后消应力处理后，经各种无损检测全部合格。
在焊接产品的同时还按照要求焊接了一个与产品实际尺寸一致的焊接见证环，焊后经过与产品完全一致的热处理和无损检测，最后解剖进行了各种性能试验。
其结果与焊接工艺评定完全一致，满足了产品要求，达到了预期效果。
表516MND5窄间隙埋弧焊接头韧性
缺口位置
取样层次
缺口类型
试验温度
吸收功Ｊ
RTNDT
焊缝中心
表层
V
0℃
191，194，189
－65℃
1/4厚度处
V
0℃
208，211，204
接头根部
V
0℃
197，182，204
距熔合线0.81 MM热影响区
表层
V
0℃
173，199，162
－60℃
1/4厚度处
V
0℃
178，210，192
距熔合线41 MM热影响区
表层
V
0℃
191，164，173
1/4厚度处
V
0℃
120，150，125
母材
表层
V
0℃
143，119，136
1/4厚度处
V
0℃
121，140，155
表616MND5窄间隙埋弧焊焊缝金属化学成分
元素
C
S
Si
P
Mn
Cr
Nｉ
Aｌ
Mｏ
含量
0.07
0.007
0.23
0.008
1.41
0.043
0.56
0.02
0.41
元素
SB
SN
AS
V
Cｏ
N
B
Ｏ
Cｕ
含量
0.00017
0.00057
0.0023
0.01
0.01
0.009
0.0004
0.045
0.01
4结束语
窄间隙焊接这一先进技术在我国虽有应用，但还很不普及，原因之一就是缺乏必要的设备。
我们在窄间隙埋弧焊焊头的研制及其实际应用方面，做了一定的工作，取得了好的效果。
特别是自力更生，采用国产材料及元器件研制成了性能优良的窄间隙埋弧焊焊头，为窄间隙埋弧焊的推广应用开辟了一条新路。
我们所研制的核一级设备稳压器也于1999年7月通过了业主和有关部门的验收。
当然在窄间隙焊接的应用方面，还有很多工作要做，我们愿与国内焊接界的同仁共同努力，促进这一先进技术的广泛应用。
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