CPR1000核島用不銹鋼焊絲熔敷金屬化學(xué)成分與焊接電流的關(guān)系

胡輝

（中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)廣東火電工程有限公司，廣東廣州510700）

CPR1000核島用不銹鋼焊絲熔敷金屬化學(xué)成分與焊接電流的關(guān)系

胡輝

（中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)廣東火電工程有限公司，廣東廣州510700）

對(duì)焊接電流分區(qū)，采用鎢極氬弧焊（TIG）方法制作熔敷金屬堆焊試件，使用標(biāo)定合格的設(shè)備對(duì)焊絲熔敷金屬進(jìn)行化學(xué)成分分析。通過(guò)對(duì)比分析試驗(yàn)值，證實(shí)焊接電流未對(duì)不銹鋼焊絲熔敷金屬化學(xué)成分產(chǎn)生實(shí)質(zhì)影響，熔敷金屬化學(xué)成分是焊絲固有的性質(zhì)，主要由制造工藝決定。結(jié)果為焊接工藝試驗(yàn)的研究及標(biāo)準(zhǔn)的制定提供了方向。

熔敷金屬；δ鐵素體；化學(xué)成分；焊接電流；焊接工藝評(píng)定

0 前言

焊接材料在焊接過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生一系列的化學(xué)冶金變化，合金元素會(huì)有所燒損。焊縫金屬通常由焊縫邊緣熔化的母材金屬和熔化的填充金屬（焊絲或焊條金屬）混合而成。完全由填充金屬熔敷而成的焊縫金屬為熔敷金屬，未受母材金屬的稀釋。因此焊絲受到冶金反應(yīng)的作用有所燒損，焊絲熔敷金屬的化學(xué)成分就會(huì)不同于焊絲[1]。焊絲在焊接冶金過(guò)程中，焊縫金屬的化學(xué)成分會(huì)因母材成分的不同而有所不同。然而，無(wú)論元素的燒損程度如何，在焊接材料驗(yàn)收時(shí)，焊材熔敷金屬的化學(xué)成分必須在焊絲要求的成分之內(nèi)。

為研究焊接材料熔敷金屬化學(xué)成分與焊接電流的關(guān)系，初步分析焊絲主要合金元素的燒損，通過(guò)熔敷金屬堆焊試驗(yàn)與熔敷金屬化學(xué)成分分析試驗(yàn)確定兩者的關(guān)系，為焊接工藝的研究提供試驗(yàn)依據(jù)。

1 核電用不銹鋼焊絲

以成熟機(jī)組CPR1000+（ACPR1000）壓水堆核電廠為例，核島安裝工程使用的不銹鋼焊絲如表1所示。

在核電廠核島工程應(yīng)用最為廣泛的是瑞典伊薩ER316L焊絲，根據(jù)RCC-M2000+2002補(bǔ)遺標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行采購(gòu)和驗(yàn)收，化學(xué)成分如表2所示。

表1 核電安裝工程使用的不銹鋼焊絲

表2 ER316L（OK TigrodN 316L）化學(xué)成分[1]%

2 不銹鋼焊絲熔敷金屬堆焊試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)背景

在我國(guó)批量化建設(shè)的CPR1000系列的核電站中，標(biāo)準(zhǔn)《壓水堆核島機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)和建造規(guī)則》（RCC-M2000+2002補(bǔ)遺）經(jīng)過(guò)多年在核電廠建設(shè)中的應(yīng)用，已經(jīng)相當(dāng)成熟。然而對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)中焊接工藝評(píng)定要求進(jìn)行熔敷金屬化學(xué)分析規(guī)定的實(shí)際意義，仍有待進(jìn)一步研究。RCC-M系列標(biāo)準(zhǔn)S篇中，在對(duì)接焊接工藝評(píng)定章節(jié)中規(guī)定了需進(jìn)行熔敷金屬的化學(xué)分析，而在焊接工藝評(píng)定中使用的焊材已經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)收合格，在驗(yàn)收期間就已對(duì)焊接材料及熔敷金屬進(jìn)行了化學(xué)分析。在CPR1000系列核電站，使用的對(duì)接焊接工藝評(píng)定有150項(xiàng)左右，僅在化學(xué)分析這項(xiàng)試驗(yàn)上就進(jìn)行了大量的重復(fù)工作，既增加了試驗(yàn)周期又提高了試驗(yàn)成本。

焊材驗(yàn)收和焊接工藝評(píng)定中，熔敷金屬的化學(xué)成分分析都要求在未經(jīng)母材稀釋的區(qū)域進(jìn)行，即不考慮母材稀釋的影響。對(duì)于熔敷金屬化學(xué)成分而言，在焊接工藝評(píng)定中最關(guān)鍵的影響因素是焊接線能量或稱為熱輸入量。

根據(jù)焊接線能量公式E=UI/v，焊接工藝評(píng)定焊接電壓U不變，考慮焊接速度v恒定，焊接電流成為關(guān)鍵因素。電流對(duì)其有何種程度的影響，按下述試驗(yàn)方案進(jìn)行研究。

2.2 試驗(yàn)方案

為分析電流對(duì)焊絲熔敷金屬化學(xué)成分的影響，按表3中的工藝參數(shù)將電流劃分為A、B、C、D四個(gè)區(qū)間，其中A區(qū)間取2個(gè)電流值，其余區(qū)間取3個(gè)電流值，在板上進(jìn)行堆焊，共計(jì)堆焊11個(gè)試樣。為盡量減少客觀因素的影響，應(yīng)控制這些因素：同一焊接操作工、同一焊機(jī)、同一工作環(huán)境、控制堆焊的層間溫度、相同監(jiān)督人員。

為避免母材對(duì)熔敷金屬稀釋的影響，應(yīng)至少堆焊3層，堆焊層厚度6～10 mm，堆焊示意見(jiàn)圖1，堆焊母材選用與焊絲同類(lèi)的材料，牌號(hào)為Z2CN1810。

圖1 堆焊示意

在進(jìn)行化學(xué)分析時(shí)，應(yīng)先去掉堆焊層表面氧化層，使用不銹鋼專(zhuān)用砂輪片進(jìn)行打磨處理，避免鐵素體污染堆焊層。堆焊前對(duì)試樣進(jìn)行編號(hào)，嚴(yán)格按表3參數(shù)進(jìn)行焊接控制。

表3 ER316L OK TigrodN 316LΦ1.6堆焊試驗(yàn)參數(shù)

3 熔敷金屬化學(xué)成分分析試驗(yàn)

采用光譜分析法測(cè)定11個(gè)試樣的化學(xué)成分，設(shè)備為直讀光譜儀，型號(hào)DF-100E，測(cè)量結(jié)果可精確到小數(shù)點(diǎn)后三位。為確保測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性，測(cè)量前直讀光譜儀經(jīng)計(jì)量單位檢定合格，且在標(biāo)準(zhǔn)試樣上進(jìn)行了元素測(cè)定對(duì)比分析。

3.1 元素測(cè)定結(jié)果

分別對(duì)11個(gè)試樣進(jìn)行要求元素測(cè)定，測(cè)定結(jié)果如表4所示。

3.2 結(jié)果分析

對(duì)比表4的試驗(yàn)值與表1標(biāo)準(zhǔn)要求值，試驗(yàn)結(jié)果均滿足焊接材料元素的標(biāo)準(zhǔn)值。各區(qū)間焊接電流堆焊的試樣元素的測(cè)量結(jié)果差別非常微小，部分元素的測(cè)量值甚至沒(méi)有變化，在測(cè)量誤差允許范圍內(nèi)。

表4 OK TigrodN熔敷金屬成分試驗(yàn)值%

圖2 Cr、Ni、Mo元素分布

主要合金元素Cr、Ni、Mo的分布如圖2所示，使用不同電流堆焊的11個(gè)試樣的熔敷金屬差值都在0.12%以內(nèi)，且差異都是不規(guī)則分布。

4 結(jié)論

在保證熔敷金屬未被稀釋的前提下，元素雖然會(huì)有一定的燒損，但焊接電流大小未對(duì)焊絲熔敷金屬的化學(xué)成分產(chǎn)生實(shí)質(zhì)影響，即焊絲的熔敷金屬化學(xué)成分是焊絲自身固有的性質(zhì)，主要由其制造工藝決定，與焊接電流無(wú)直接關(guān)系。

因此，在RCC-M2000+2002補(bǔ)遺S篇中，若單純從驗(yàn)證使用的焊接材料看，焊接工藝評(píng)定進(jìn)行熔敷金屬化學(xué)分析試驗(yàn)并無(wú)重要的實(shí)際意義。同時(shí)參考ASME鍋爐及壓力容器規(guī)范第Ⅸ卷、DL/868-2004、DL/1117-2009等標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，均未要求對(duì)熔敷金屬進(jìn)行化學(xué)成分分析，這也說(shuō)明不同的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)此的要求不一致。但從對(duì)焊接工藝實(shí)施的角度而言，取消熔敷金屬化學(xué)成分分析有以下益處：

（1）簡(jiǎn)化工藝流程，提高實(shí)施效率。一項(xiàng)工藝評(píng)定檢驗(yàn)的化學(xué)元素一般為8～12個(gè)，如果按照GB/ T20123、GB/T223進(jìn)行化學(xué)分析試驗(yàn)，試驗(yàn)周期一般為3～4天，如果遇到一些特殊元素，如Ta、Nb，檢測(cè)需要的時(shí)間可能更長(zhǎng)。若采用直讀光譜儀進(jìn)行測(cè)定，一般周期需約2天，且部分元素受直讀光譜儀的限制而無(wú)法檢測(cè)。因此，取消此項(xiàng)試驗(yàn)可加快試驗(yàn)實(shí)施流程，提高效率。

（2）節(jié)約成本。8～12個(gè)元素的檢測(cè)費(fèi)平均按1 200元計(jì)算，150項(xiàng)工藝評(píng)定可節(jié)省18萬(wàn)元。

（3）為我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)制定研究提供了方向。我國(guó)核島焊接標(biāo)準(zhǔn)是以RCC-M系列標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)進(jìn)行的編制，如NB/T 20002.3-2013，其中仍有熔敷金屬化學(xué)分析的要求。

[1]陳伯蠡.金屬焊接性基礎(chǔ)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1982.

[2]RCC-M 2000+2002補(bǔ)遺，壓水堆核島機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)和建造規(guī)則[S].

[3]ASME，鍋爐及壓力容器規(guī)范第Ⅸ卷[S].

[4]DL/1117，核電廠常規(guī)島焊接工藝評(píng)定規(guī)程[S].

[5]DL/868，火力發(fā)電廠焊接攻訐工藝評(píng)定技術(shù)規(guī)程[S].

[6]NB/T 20002.3-2013，壓水堆核島機(jī)械設(shè)備焊接規(guī)范第3部分：焊接工藝評(píng)定[S].

Page 50短路過(guò)渡頻率為200～250次/s，MIG焊射滴過(guò)渡頻率為100～200次/s，射流過(guò)渡最大頻率為500次/s[3]。因此本系統(tǒng)USB存儲(chǔ)的采集頻率完全能夠滿足分析熔滴過(guò)渡所需的頻率要求，有助于焊接技術(shù)人員精細(xì)化分析和評(píng)估焊接質(zhì)量。

圖8 上位機(jī)接收的CAN報(bào)文

5 結(jié)論

以CAN總線為通信平臺(tái)，結(jié)合嵌入式USB存儲(chǔ)技術(shù)，設(shè)計(jì)了以STM32為核心的焊接參數(shù)采集和傳輸系統(tǒng)，其中CAN總線用于低頻的焊接數(shù)據(jù)傳輸，USB存儲(chǔ)則用于本地高速的焊接數(shù)據(jù)采集。測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)既能滿足一般的焊接生產(chǎn)監(jiān)控與管理要求，又能以較低成本實(shí)現(xiàn)重要工位焊接質(zhì)量分析，在焊接生產(chǎn)監(jiān)控領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)：

[1]張佳瑞.基于單片機(jī)的數(shù)據(jù)采集和無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D]．成都：西南交通大學(xué)，2013．

[2]嚴(yán)棟，韓二陽(yáng)，鄭博，等．焊接生產(chǎn)監(jiān)控中的通信技術(shù)[J]．電焊機(jī)，2015，45（4）：17-20．

[3]楊春利，林三寶．電弧焊基礎(chǔ)[M]．哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2010．

The relationship between chemical composition of deposited metal of stainless steel wire for CPR1000 nuclear island and welding current

HU Hui
（Guangdong Power Engineering Corporation Limited of China Energy Engineering Group Co.，Ltd.，Guangzhou 510700，China）

Partitioning the welding current to make the deposited metal overlaying test specimen by argon tungsten-arc welding(TIG)，analyze the deposited metal composition by the calibrated and qualified equipment.By making the comparative analysis of the test result，verify that the welding current can't make substantial changes of the deposited metal composition，the chemical composition of deposited metal is the inherent property of the welding wire，which is mainly determined by its manufacturing process.The results of this study provide a direction for the research of welding process test and the establishment of standards.

deposited metal；δ ferrite；chemical composition；welding current；welding procedure qualification

TG406

A

1001－2303（2017）04－00

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.04.

獻(xiàn)

郭吉昌，朱志明，閆國(guó)瑞，等.基于UG的弧焊機(jī)器人離線編程系統(tǒng)開(kāi)發(fā)[J].電焊機(jī)，2017，47（01）：1-6.

2016-10-17

胡 輝（1985—），男，湖北人，工程師，學(xué)士，主要從事核電焊接技術(shù)的管理工作。