SA738 Gr.B鋼使用機(jī)械自動(dòng)橫焊（GMAW）焊接工藝研究

王猛++王增高++王剛++修延飛

摘 要：SA738 Gr.B鋼是某核電建設(shè)的重要材料之一，針對(duì)SA738 Gr.B材料的物理化學(xué)性能，采用機(jī)械自動(dòng)橫焊（GMAW），選用合理的焊接材料，調(diào)整焊接工藝和技術(shù)措施，嚴(yán)格控制預(yù)熱溫度、層間溫度、后熱溫度和熱處理溫度，焊后對(duì)焊接接頭的物理化學(xué)性能進(jìn)行分析得出，焊接接頭及熱影響區(qū)都具有與母材相同或相近的物理化學(xué)性能，通過(guò)焊接工藝試驗(yàn)，驗(yàn)證了機(jī)械自動(dòng)橫焊（GMAW）焊接SA738 Gr.B材料的可行性和有效性，為某核電現(xiàn)場(chǎng)使用機(jī)械自動(dòng)橫焊（GMAW）提供了依據(jù)。

關(guān)鍵詞：SA738 Gr.B鋼；核電；焊接；機(jī)械自動(dòng)橫焊

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.15.080

1 前言

鋼制安全殼（CV）是某核電第三層保護(hù)屏障，安全殼的整體是由5段拼裝而成，其中CV筒體是由3段拼裝而成，其分別為CV第1段筒體、CV第2段筒體和CV第3段筒體。CV筒體板材質(zhì)均為SA 738 Gr.B、內(nèi)徑為43m。 CV第1環(huán)筒體由5圈環(huán)板拼裝組成，第一圈環(huán)板（CY1）壁厚為55mm，其余壁厚均為52mm；CV第2環(huán)筒體由4圈環(huán)板拼裝組成，其壁厚均為52mm；CV第3環(huán)筒體由2圈環(huán)板拼裝組成，其壁厚均為52mm。某核電安全殼環(huán)與環(huán)，圈與圈的拼接是通過(guò)焊接手段實(shí)現(xiàn)的。

CV筒體縱焊縫共計(jì)132條、環(huán)焊縫共計(jì)12條，考慮到手弧焊（SMAW）操作方便、使用靈活、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，CV筒體縱焊縫和環(huán)焊縫都是選用手弧焊工藝，但是手弧焊焊接速度較慢并且為了保證工期要求投入的焊工人數(shù)較多。

CV筒體環(huán)焊縫共計(jì)12條，每一條環(huán)焊縫長(zhǎng)度為135m，這就決定了使用手弧焊焊接工期較長(zhǎng)；同時(shí)由于焊工的焊接手法和焊接水平有優(yōu)劣之分，進(jìn)而不能保證環(huán)焊縫焊接質(zhì)量的均勻性。自動(dòng)焊焊接速度塊，焊接受人為因素影響較小，焊接質(zhì)量較均勻，可以判斷自動(dòng)焊可以擬補(bǔ)手弧焊的不足，因此研究自動(dòng)焊焊接工藝有重要意義。

2 焊接材料的選擇

CV筒體板材質(zhì)為SA 738 Gr.B，厚度為52～55mm，根據(jù)焊接材料選用原則，應(yīng)根據(jù)SA 738 Gr.B鋼的化學(xué)成分，力學(xué)性能、焊接性能并結(jié)合壓力容器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、使用條件及焊接方法綜合考慮選用焊接材料，并要保證焊接接頭的性能等于或高于母材SA 738 Gr.B鋼的力學(xué)性能，根據(jù)上述原則并參考ASME第II卷A篇SA 738 Gr.B的物理化學(xué)性能及ASME第II卷C篇相關(guān)焊材的物理化學(xué)性能，焊材選取ER90S-G， φ1.2mm，實(shí)心焊絲，母材及所選用的焊材在使用前，需復(fù)驗(yàn)并且合格才可以使用，表1為SA 738 Gr.B鋼與ER90S-G焊絲力學(xué)化學(xué)性能對(duì)照，通過(guò)對(duì)照分析，確定的焊材ER90S-G符合上述焊材選用原則。

3 坡口準(zhǔn)備與焊接

為了模擬產(chǎn)品接頭形式，采用X型坡口對(duì)接接頭形式，坡口組對(duì)、焊接位置及焊道分布如圖1所示，板材厚度為52mm；坡口角度為50°，相對(duì)手弧焊坡口角度較小，能保證焊接速度和減小變形；鈍邊為2mm，打底過(guò)程中能避免根部燒穿；根部間隙為3mm，能保證焊縫打底時(shí)充分熔透母材，試板坡口的各部分尺寸與實(shí)際產(chǎn)品保持一致。采用多層多道焊焊接，在焊接過(guò)程中對(duì)每道焊縫中的缺陷及時(shí)打磨處理，確保焊縫質(zhì)量。

工藝試驗(yàn)的試板規(guī)格為600×150×52mm，試板焊接采用自動(dòng)焊橫焊工藝，考慮到焊接過(guò)程中有一定的收縮量，組對(duì)前對(duì)試板進(jìn)行1°～2°的反變形，焊接過(guò)程中預(yù)熱溫度為100℃以上，層間溫度控制在200℃以內(nèi)，焊接工藝參數(shù)參考表2。

4 試板熱處理

由于自動(dòng)焊焊接速度快，為了保證焊接質(zhì)量，防止產(chǎn)生冷裂紋，參考標(biāo)準(zhǔn)NB/47015相關(guān)要求，試板焊接完成后，及時(shí)進(jìn)行后熱，后熱溫度為200℃-350℃，保溫時(shí)間不低于30分鐘，后熱溫度控制采用紅外測(cè)溫儀或其他方式進(jìn)行過(guò)程監(jiān)控。

為保證試板的焊接過(guò)程與實(shí)際產(chǎn)品焊接過(guò)程完全相符，在焊接完成后48h，需對(duì)焊接試塊進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，無(wú)損檢測(cè)合格后，根據(jù)ASME 第III卷NE分卷的要求對(duì)于板厚大于44.5mm的SA738 Gr.B需進(jìn)行焊后熱處理，熱處理升溫降溫速率在425℃以下不作要求，在425℃以上升溫降溫速率小于110℃/h，保溫溫度為595～620℃，保溫時(shí)間2.5h，熱處理曲線見(jiàn)圖2。

5 無(wú)損檢測(cè)

熱處理完成后同樣需要在48h后，再對(duì)試板進(jìn)行目視、滲透和射線檢測(cè)，熱處理前后的焊縫都應(yīng)滿足JB4730一級(jí)焊縫的要求，檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

通過(guò)對(duì)熱處理前后焊接試塊的檢測(cè)，試塊焊接前后目視、滲透和射線檢測(cè)合格，符合一級(jí)焊縫的的要求。

6 焊接試板取樣及理化性能分析

6.1 焊接試板取樣

根據(jù)某核電的相關(guān)技術(shù)要求，焊接試板熱處理完成NDE檢測(cè)合格后需驗(yàn)證焊接接頭的物理化學(xué)性能是否符合技術(shù)要求，拉伸試樣、沖擊試樣、彎曲試樣和化學(xué)分析試樣取樣位置圖見(jiàn)圖3，根據(jù) ASME第IX卷及ASME第III卷NE分卷相關(guān)要求進(jìn)行試樣的尺寸加工。

室溫拉伸、彎曲及沖擊試驗(yàn)按AWS B4.0M要求進(jìn)行，高溫拉伸試驗(yàn)按ASTM E21要求進(jìn)行，化學(xué)分析試驗(yàn)按ASTM A751的要求進(jìn)行。

焊接的試板需預(yù)留一部分，當(dāng)加工的試樣試驗(yàn)不合格時(shí)，如果可以判定試樣失敗的原因與焊接參數(shù)無(wú)關(guān)時(shí)，可以在預(yù)留部分重新取樣以代替失敗的試樣。

6.2 理化性能分析

力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4，橫向側(cè)彎試樣按AWS B4.0M要求進(jìn)行檢測(cè)，壓頭直徑為4倍的板厚，彎曲180°后，檢查受拉面及熱影響區(qū)不能出現(xiàn)裂紋，對(duì)由于氣孔及夾渣引起的單個(gè)開(kāi)口缺陷，長(zhǎng)度不得超過(guò)3mm，通過(guò)側(cè)彎試驗(yàn)試樣焊縫及熱影響區(qū)沒(méi)有出現(xiàn)裂紋 ；室溫拉伸試樣抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率的試驗(yàn)值大于母材標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定值，可知焊接接頭拉伸符合要求；150℃高溫拉伸抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度的試驗(yàn)值大于某核電的技術(shù)要求值（抗拉強(qiáng)度540MPa，屈服強(qiáng)度360MPa），150℃高溫拉伸試驗(yàn)合格；某核電的技術(shù)規(guī)格書(shū)要求焊接接頭的沖擊試驗(yàn)每組的三個(gè)試樣的平均值不小于54J，單個(gè)試樣的最低值不小于47J，且一組3個(gè)試樣中只允許一個(gè)試樣吸收功小于54J，但不低于47J，表4可以看出-29℃和-45℃沖擊試樣的單個(gè)沖擊值都在100J以上，可以判定，焊接接頭的沖擊性能符合要求。

化學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5，化學(xué)分析結(jié)果均在規(guī)定的范圍內(nèi)，其結(jié)果合格。

7 結(jié)論

（1）通過(guò)對(duì)SA738 Gr.B鋼使用機(jī)械自動(dòng)橫焊（GMAW）焊接的工藝試驗(yàn)，并且焊接的試板物理化學(xué)性符合規(guī)定要求，證明了機(jī)械自動(dòng)橫焊在SA738 Gr.B板焊接的可行性，為某核電現(xiàn)場(chǎng)制定機(jī)械自動(dòng)橫焊工藝和為自動(dòng)橫焊工藝的推廣有很好的指導(dǎo)作用。

（2）根據(jù)SA738 Gr.B的物理化學(xué)性質(zhì)，采用焊前預(yù)熱、合理選擇焊接材料、焊接工藝參數(shù)、熱處理規(guī)范，焊接接頭的性能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，很大程度上防止焊后缺陷的出現(xiàn)。

（3）坡口角度為50°，鈍邊為2mm，根部間隙為3mm，焊接接頭無(wú)損檢測(cè)未出現(xiàn)未熔合及裂紋等缺陷，表明坡口設(shè)計(jì)符合機(jī)械自動(dòng)橫焊（GMAW）焊接的要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]唐識(shí)，張君寶.核電站鋼制安全殼SA738 Gr.B的焊接工藝[J].電焊機(jī)，2016（07）.

[2]劉應(yīng)虎，王長(zhǎng)健.不銹鋼SA376與20鋼的焊接試驗(yàn)及應(yīng)用[J].中國(guó)重型裝備，2014.

[3]朱金勝，廖素萍.ASTM A240 UNS S32101雙相不銹鋼SMAW焊接工藝研究[J].焊管，2013（02）.

[4]孫丹丹.SA302Cr.C材料焊接性能研究[J].熱加工，2010（03）.

[5]ASME-IX.焊接和釬焊評(píng)定[S].2007+2008補(bǔ)遺.

[6]ASME-III.和釬焊評(píng)定[S].2007+2008補(bǔ)遺.endprint