核电站小径管脉冲TIG全位置自动焊工艺及接头性能研究

2020-11-04林磉熙王浩政王征徐忠峰杨佳

金属加工(热加工) 2020年9期

关键词：焊丝坡口母材

林磉熙，王浩政，王征，徐忠峰，杨佳

1.中核检修有限公司海盐分公司浙江嘉兴 314000

2.中国核工业二三建设有限公司北京 101300

3.苏州热工研究院有限公司江苏苏州 215004

1 序言

随着我国核电机组建设的重启，工程建设单位面临着大量的安装任务和更高的安装标准。核电建设阶段，核安全、质量为一切生产活动的前提，尤其是焊接质量决定着整个机组的运行安全和使用寿命。目前，国内除了核电主管道全部采用了窄间隙自动氩弧焊工艺外[1-3]，其他管道、储罐、水池等设备的安装所采用的焊接工艺仍为手工焊或半自动焊。

氩弧焊（TIG）具有保护效果好、飞溅小、电弧稳定、成形美观及性能优良等特点，尤其是焊接热输入可以实现精准控制，因而在核电中小管道焊接中得到了普遍的应用。脉冲TIG焊通过控制峰值电流、基值电流、峰值送丝速度、基值送丝速度、峰值行走速度与基值行走速度等焊接参数，不仅可以实现管道的全位置焊接、焊缝高熔深，而且可以有效解决根部全焊透问题[4]。

随着自动焊控制技术的发展和自动焊设备适应性的提高，脉冲TIG自动焊技术在核电安装阶段有一定的应用[5，6]，但是，在核电建设阶段，由于被焊管件不能随意转动，焊接设备需要完成向下立焊、仰焊、向上立焊及平焊全位置的焊接；同时，由于空间位置的限制和对口精度的制约，导致焊接设备不便安装或焊接成形不佳，影响了自动焊技术在现场的应用。

为了有效降低高水平焊工需求量、工程建设成本，提高建造质量、施工效率，缓解国内核电站批量化建设过程中工期压力等问题，本文重点从坡口形式、钨极-焊丝位置关系、组对要求、焊道布置及焊接参数等方面，对核电站小管脉冲TIG全位置自动焊工艺和性能进行了研究，为我国在建改进型百万千瓦级核电站焊接质量的进一步提高，焊接工期进一步压缩，以及核电建造成本的进一步降低起到积极贡献。

2 试验方法

2.1 试验设备

核电小管自动焊设备选用苏州热工研究院公司生产的MODEL B全位置脉冲TIG自动管焊机，焊接机头为卡夹式，径向尺寸小于60mm，特别适合狭窄空间的焊接。通过安装不同规格的轨道，可以焊接0.5～14in（1in=25.4mm）的管道。主控制器采用MODEL X控制器，具有远程可视、脉冲送丝、脉冲行走、弧压反馈、非正常焊接自动熄弧控制等功能，具有安装简单、过程可控、适用多位置焊接等优点。

焊接电源采用逆变脉冲（方波）直流电源，额定电流250A。一方面，可通过MODEL X控制系统对电流信号进行全面接管，实现焊接运动与焊接电弧输出的脉冲同步一致，以实现焊接参数的输出控制；另一方面，在特殊焊接应用环境下，能够实现高频（≥25kHz）及高电弧挺度功能。此外，还可由焊接电源一元化参数控制功能，与机头运动功能进行配合使用。

2.2 试验材料

采用A312 TP316L超低碳不锈钢管作为试验材料，规格为φ33.4mm×6.35mm、长度分别为150mm的两段管材，化学成分见表1。根据母材的力学性能，选择相应强度级别的焊接材料，以保证焊缝金属强度、塑性和韧性等力学性能与母材的匹配，保证结构使用性能的要求。焊接材料选用AWS A5.9，ER316L，φ1.0mm，质量规格为1kg的盘装焊丝，焊丝的化学成分见表2。

表1 A312 TP316L不锈钢化学成分（质量分数）（%）

表2 ER316L焊丝化学成分（质量分数）（%）

2.3 坡口形式

对接焊坡口为带钝边的V形坡口，采用车床或专用坡口机进行加工。加工表面不得有裂纹、分层、夹渣等缺陷，打磨坡口及两侧直至露出金属光泽（焊缝打磨时要采用不锈钢专用抛光轮），对坡口表面的凹坑和划痕等不规则处必须打磨并圆滑过渡，在坡口组对前对坡口加工尺寸和表面进行100%PT检测，I级合格，合格后方可进行组对。PT检测按照RCC-M第Ⅲ卷MC4000的要求进行。

坡口形式如图1所示，其中，钝边长度a=1.6～2.0mm，钝边厚度b=0.9～1.2mm，单边坡口角度θ=12°～18°，间隙为0mm。

四是组织实施《全国抗旱规划》。《全国抗旱规划实施方案》已上报国务院，批复后将尽快组织实施。重点加强小型水库工程、引调提水工程、抗旱应急备用井等抗旱应急水源工程建设，确保旱区居民基本生活用水，保障基本口粮田作物生长关键期的用水需求。在有条件的地区，大力推进抗旱重大骨干水源工程建设，逐步完善抗旱供水保障体系。

图1 管道坡口形式

2.4 焊接参数

焊接方法采用全位置脉冲TIG焊，焊缝位置为5G，焊道布置如图2所示，焊道1为根部焊道，焊道2、焊道3为填充焊道，焊道4为盖面焊道。应按照焊接工艺规程要求对管道进行组对和焊接，试件焊接参数见表3。试件焊接过程中管道内部需进行充氩气保护，同时对焊接层间和表面进行清理。氩气纯度为99.99%，正面流量为8～12L/min，背面流量为10～15L/min；层间温度控制在150℃以下。

焊接完成后，对接头进行无损检测、熔敷金属化学成分分析、宏观与微观组织观察、室温拉伸试验以及弯曲性能试验。

2.5 焊接工艺要点

钨极夹角、钨极-焊丝夹角、钨极-焊丝距离及与管子的偏移距离等参数，直接关系到焊接过程的稳定、焊缝成形和焊接质量，因此合理调节这些参数是获得满意焊接质量的重要保证，各参数如图3所示。

表3 焊接参数

图3 钨极-焊丝之间的位置

通过试验确定以下参数：

1）α1=5°～25°，管件越薄，后倾角越大越好。

2）S1值未作特殊要求，只需保证惰性气体保护效果即可。若管件壁厚较大，钨针需要深入工件，喷嘴端部到管件2～5mm，以保证气体的保护效果。

4）S3=10～15mm。焊前，手动送丝到钨极正下方，焊丝端部距钨极端约2mm，然后抽回到焊丝嘴处。

5）S4与α2数值只是一个参考量。实际焊接时，焊丝端部应进入到熔池前部后进行熔化，因此，焊前S4与α2可以不设定，只需满足前述要求即可。应保证焊丝在送入熔池后熔化，观察熔敷金属量，不足时应加大送丝速度，反之，应减小送丝速度。

6）焊接过程中观察熔池长度、形状、弧光强度等，一般以熔池前段成椭圆形、绿光较为合适。熔池过大、过长时应减小焊接电流，反之，则增大焊接电流。

3 试验结果

（1）无损检测按照RCC-M第Ⅲ卷MC7100规定进行目视检测；焊缝表面检查合格后，按照RCC-M第Ⅲ卷MC4000规定对焊缝进行PT检测。渗透检测合格后，按RCC-M第Ⅲ卷MC3300的规定对焊缝进行射线检测。

目视检查未发现焊缝有裂纹、未熔合、未焊透、焊瘤、咬边、未填满的弧坑、内侧焊缝内凹、表面气孔和夹渣等缺陷。渗透检测和射线检测都为I级合格。

（2）化学成分分析按照RCC-M对熔敷金属进行化学成分测试，见表4，熔敷金属各元素成分满足标准要求。

表4 熔敷金属化学成分（质量分数）（%）

（3）焊接接头微观组织按照标准NF-05-150和RCC-M MC1320进行取样，浸蚀剂使用“王水”；在显微镜下观察焊缝根部区域、熔敷金属中心区域、熔合线、宏观检测显示的可疑区，保证无显微裂纹和影响接头性能的析出相。

宏观检测未发现焊缝未熔合、未焊透、裂纹等缺陷，成形良好，各区域均未发现显微裂纹及异常组织。图4为焊缝微观组织，基体为奥氏体，条状为铁素体，柱状晶方向性非常明显，显示出焊缝组织结晶存在非常明显的方向性。图5为焊接接头熔合线附近的微观组织，焊缝、熔合线、热影响区和母材连续排布，为一个完整、连续的组织形貌。熔合线清晰可见，附近热影响区晶粒未粗化，整个熔合线附近的母材晶粒没有显著长大，热影响区也并不明显。图6为管子母材微观组织，基体为孪晶奥氏体和少量铁素体。