核級超低碳不銹鋼矩形管焊接工藝研究

張程，楊必林

(東方汽輪機有限公司，四川 德陽，618000)

1 前言

公司承制的某P類項目產(chǎn)品要求進(jìn)行核級超低碳奧氏體不銹鋼矩管組件的焊接。焊接完成后該矩形管用于核級燃料的貯存。根據(jù)圖紙裝配要求，矩形管焊接后其開口尺寸、平面度尺寸等均要控制在2.5 mm內(nèi)，要求極高。本文根據(jù)焊接試驗，焊接數(shù)字模擬和焊接過程管控等措施對該類矩形管的焊接工藝進(jìn)行研究，最終解決矩形管焊接變形問題。

2 核級超低碳不銹鋼矩形管的主要結(jié)構(gòu)和裝焊特點

矩形管的用材為核級304L材料，對應(yīng)國標(biāo)牌號為：022Cr17Ni12Mo2，其結(jié)構(gòu)形式見圖1。

圖1 矩形管外形示意圖

矩形管組件由帽口、矩形管和底座3部分構(gòu)成。矩形管本體為4件304L不銹鋼板焊接而成，焊接完成后將用于設(shè)備核燃料矩形棒的存放。燃料棒截面為矩形，設(shè)計截面尺寸為115 mm×115 mm，理論上燃料棒與矩形管的裝配間隙為單邊2.5 mm?？紤]到核燃料在受熱狀態(tài)下的膨脹，為滿足設(shè)計要求，焊接工藝制定的目標(biāo)為控制矩形管焊后變形在1.5 mm內(nèi)。

3 矩形管材料304L的焊接性分析

作為低碳奧氏體不銹鋼304L本身具有良好的焊接性，焊接時一般不需要特殊的焊接工藝措施保證。但是不銹鋼特殊的物理特性 （見表1）卻對焊接變形影響很大。

表1 304L物理特性與普通碳鋼對比

相比于普通碳鋼，304L不銹鋼的導(dǎo)熱系數(shù)比普通碳鋼小70%左右，線膨脹系數(shù)又比碳鋼大40%左右。這樣的物理特性使304L不銹鋼的熱傳遞很慢，焊接區(qū)域的溫差應(yīng)力很大。在熱膨脹時的熱膨脹量和冷卻時的收縮量增加明顯。

4 焊接工藝的制定

本次焊接根據(jù)項目要求按ASME IX卷進(jìn)行焊接工藝評定，制定的焊接參數(shù)見表2。

表2 304L焊接規(guī)范

根據(jù)焊接熔敷量計算，矩形管結(jié)構(gòu)和焊縫特點 制定詳細(xì)的焊接工藝，見圖2。

圖2 矩形管焊接工藝圖

焊接要求：

（a）焊縫總?cè)凵罴s4～4.5 mm，分2層焊接完成，焊前按工藝圖要求進(jìn)行加固焊。

（b）第1層熔深1.2～2 mm，焊完后噴水，強冷至室溫。

（c）4條主焊縫的焊接順序見側(cè)視圖。各分段焊縫的施焊順序見主視圖。

（d）施焊2個焊位順序后轉(zhuǎn)下一條焊縫。圖中數(shù)字順序即為焊接順序，共分41段焊縫。

5 矩形管的焊接

5.1 矩形管的焊接

為減小單位時間內(nèi)的焊接熱輸入，首次焊接工藝選用Φ1.6的焊絲。焊接過程記錄見表3。

表3 矩形管首次焊接尺寸變化記錄

圖3 首件矩形管扭曲變形

5.2 首套矩形管焊接結(jié)果分析

通過對2根矩形管的焊接數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并充分討論，得出如下結(jié)論：

（1）焊接工藝主要是考慮通過焊接順序進(jìn)行焊接熱應(yīng)力的平衡，實際效果不佳。

（2）使用Φ1.6的焊絲本意是減小焊接線能量，但為滿足工藝2層焊滿的要求，焊絲在坡口處停留時間過長，反而導(dǎo)致熱輸入量的增加。

（3）為控制道間溫度，施焊過程中采用了噴水方式進(jìn)行強冷，但因為水自身的流動性及接頭處的裝配間隙，水噴到焊縫上后很快從旁邊流走，強冷效果不好。實際測量中發(fā)現(xiàn)，在焊接完成后，通過噴水方式進(jìn)行冷卻，接頭在5 min內(nèi)才能降溫至手摸不燙的程度。（經(jīng)測量，此時溫度在40℃以內(nèi)）。而焊接接頭在降至此溫度前矩形管已經(jīng)發(fā)生焊接熱變形。

（4）試驗件焊后扭曲變形嚴(yán)重，焊接變形不受控。對角線尺寸變形太大，超出預(yù)期。

（5）變形基本發(fā)生在停止施焊后接頭緩慢冷卻的過程中。焊接剛開始時矩形管整體熱量提升不大，因此焊接變形小。待多段焊縫焊接后，熱量上升明顯，焊接變形加劇明顯。

綜上分析，確定下一步焊接工藝主要以控制矩形管焊接的扭曲變形為主。

6 矩形管焊接工藝的優(yōu)化及焊接模擬分析

6.1 矩形管的焊接工藝優(yōu)化

根據(jù)矩形管試驗件的焊接結(jié)果分析，對焊接工藝優(yōu)化如下：

（1）換用Φ2.0的焊絲進(jìn)行焊接，1次焊滿。提高焊接速度，減少單位焊縫的焊接時間。

（2）為保證強冷效果，設(shè)計焊接水槽工裝，工裝內(nèi)裝水，矩形管整體放入工裝，冷卻水裝至留出矩形管的焊接接頭即可。

（3）為控制端部的對角線尺寸，利用剛性固定法，設(shè)計矩形管兩端固定工裝（見圖4），工裝與矩形管點焊固定。工裝上開孔，保證冷卻水可以進(jìn)入矩形管內(nèi)部也方便焊接完成后工裝的取下。

圖4 焊接水槽及端部固定工裝

（4）對4條主焊縫的焊接順序進(jìn)行優(yōu)化，保證矩形管一面焊接順位焊接后翻身，所有接頭直接浸入水中強冷。具體焊接工藝要求如下：

（a）焊縫總?cè)凵?～4.5 mm，1次焊接完，焊前按要求進(jìn)行加固焊。

（b）正式施焊前，將矩管放入專用水箱工裝中，注水至焊接接頭下25 mm左右高度處。

（c）一條焊縫施焊2個焊位順序后轉(zhuǎn)下一條焊縫。

（d）一面焊接2個焊位順序后翻面，焊另一面，整個過程控制焊縫的道間溫度≤50℃。

（5）為了檢測矩形管焊接完成后是否滿足裝配核燃料的要求，特設(shè)計矩形管檢測用工裝 （見圖5），工裝外表面要求銑削加工以保證檢驗尺寸。

圖5 檢測用工裝

6.2 矩形管的焊接過程數(shù)字模擬分析

6.2.1 模型建立

采用SYSWELD軟件對前后兩個焊接方案進(jìn)行數(shù)字分析。幾何模型選擇實際尺寸，不做任何簡化，整體網(wǎng)格均勻化處理，焊縫及焊縫附近區(qū)域細(xì)化處理，所有工藝參數(shù)均按工藝要求設(shè)置。模型中試板之間未設(shè)置接觸，以連續(xù)網(wǎng)格進(jìn)行連接 （見圖 6）。

圖6 網(wǎng)格模型建立

6.2.2 熱源及邊界條件

因焊接量較大，選擇建立標(biāo)準(zhǔn)角焊縫進(jìn)行瞬態(tài)校核，然后提取焊縫中心的熱循環(huán)曲線作為穩(wěn)態(tài)計算熱源。為初始方案選擇正常的空氣換熱，優(yōu)化方案選擇強制冷卻。初始方案不做焊接間隔時間，優(yōu)化方案根據(jù)檢核結(jié)果設(shè)置100 s的間隔時間（見圖7、圖8）。矩形管對角線差值變化情況反應(yīng)為模型情況中的試板自身平面弧度變形，弧度變形越大，說明對角線變化趨勢越嚴(yán)重。

圖7 移動熱源校核及初始工藝平面弧度

圖8 平面度相對變化 （右圖為優(yōu)化工藝）

從結(jié)果來看優(yōu)化方案的平面弧度相對變化僅1.86 mm，遠(yuǎn)低于初始方案的3.32 mm，可推測優(yōu)化方案后的真實平面度和對角線差值要好于初始方案，說明優(yōu)化工藝具有可行性。

7 優(yōu)化焊接工藝后矩形管焊接

7.1 矩形管及工裝的裝配

按照優(yōu)化后的焊接工藝，再次選定了2組矩形管進(jìn)行焊接。本次根據(jù)試驗件裝配經(jīng)驗，設(shè)計了裝配限位輔助工裝。矩形管裝配和定位焊情況見圖9。

圖9 矩形管裝配

7.2 矩形管的焊接

將矩形管放入水槽內(nèi)并注水，嚴(yán)格按照優(yōu)化后的焊接工藝進(jìn)行施焊，見圖10。

圖10 矩形管焊接

7.3 矩形管的焊接效果及檢查

按照優(yōu)化后的焊接工藝完成矩形管焊接，并對焊接變形數(shù)據(jù)實時測量，見表4。

表4 工藝優(yōu)化后矩形管焊接尺寸變化記錄

優(yōu)化后焊接工藝對矩形管的焊接變形做到了有效的控制，矩形管變形測量情況見圖11。

圖11 矩形管角變形情況

打磨取下矩形管兩端固定工裝后，測量矩形管兩端管口的開檔和對角線尺寸，其差別在0.8 mm內(nèi)，測量情況均符合設(shè)計要求，測量情況見圖12， 圖 13。

圖12 矩形管兩端管口尺寸測量

圖13 矩形管平面度測量情況

最后，按核燃料外形尺寸1∶1設(shè)計的檢驗工裝對矩形管進(jìn)行了最終檢測，檢驗工裝整體可以在矩形管內(nèi)順利移動，表明本次焊接工藝攻關(guān)成功，檢測情況見圖14。

圖14 矩形管專用檢驗工裝測量情況

8 結(jié)束語

作為304L奧氏體不銹鋼，其焊接性較好，焊接過程中不容易產(chǎn)生焊接缺陷，但是焊接變形卻難以控制。對于控制304L不銹鋼的焊接變形，以下措施是有效的：

（1）合理制定焊接順序，可以提高焊接接頭的冷卻速度并減小焊接應(yīng)力。另外，焊件內(nèi)部形成了有效的熱平衡，平衡了焊接的熱輸入。

（2）嚴(yán)格控制道間、層間溫度，控制焊件的整體溫度，可有效抑制焊接熱變形。

（3）增加固定的輔助工裝，對于控制焊接變形起到了有益的作用。

（4）焊接數(shù)字模擬為驗證焊接工藝的合理性提供了可量化的數(shù)據(jù)支持，從整個模擬和實施過程來看，實際操作時因為嚴(yán)格控制了焊件溫度，所以保證了焊接結(jié)果在焊接工藝控制的范圍內(nèi)。

[1]陳祝年.焊接工程師手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，2002.

[2]劉政軍，徐德昆.不銹鋼焊接及質(zhì)量控制[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008.

[3]楊建國.焊接結(jié)構(gòu)有限元分析基礎(chǔ)及MSC.Marc實現(xiàn)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2012.