AP1000鋼制安全殼埋弧橫焊工藝應(yīng)用研究

肖志威 朱稱生 蔣勝勇

摘 要：針對(duì)AP1000核電鋼制安全殼結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及焊接工藝應(yīng)用情況，分析采用埋弧橫焊工藝的可行性和必要性，通過(guò)對(duì)埋弧橫焊工藝的焊接設(shè)備、焊材、坡口選擇、工藝參數(shù)、工藝評(píng)定、常見缺陷等方面進(jìn)行總結(jié)和分析，為AP1000核電鋼制安全殼采用埋弧橫焊工藝提供技術(shù)參考。

關(guān)鍵詞：鋼制安全殼;埋弧橫焊;工藝試驗(yàn)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.02.006

0 前言

某AP1000核電項(xiàng)目鋼制安全殼（CV）整體外形尺寸：φ39.624m×65.7m，總重3600多噸。由底封頭、筒體（共11層）、頂封頭組成，主體材料為SA738Gr.B調(diào)制鋼板，底封頭與頂封頭壁厚為41.3mm、筒體第1層壁厚為47.6mm、筒體第2-11層壁厚均為44.5mm。目前，國(guó)內(nèi)鋼制安全殼筒體現(xiàn)場(chǎng)安裝縱縫主要采用自動(dòng)氣保焊工藝，其它焊縫主要采用半自動(dòng)氣保焊。為了提高焊接質(zhì)量和效率，對(duì)埋弧橫焊工藝在鋼制安全殼筒體現(xiàn)場(chǎng)安裝中采用埋弧橫焊工藝進(jìn)行了應(yīng)用研究。

1 鋼制安全殼筒體現(xiàn)場(chǎng)安裝環(huán)縫采用埋弧橫焊工藝的可行性和必要性分析

1.1 可行性分析

——埋弧橫焊本質(zhì)為埋弧焊工藝，是ASME標(biāo)準(zhǔn)及AP1000技術(shù)規(guī)格書允許使用的焊接工藝;

——埋弧焊工藝在核安全設(shè)備制造和安裝活動(dòng)中有成熟的應(yīng)用;

——埋弧橫焊工藝目前已廣泛應(yīng)用于大型儲(chǔ)罐中，工藝成熟;

——鋼制安全殼直徑大、板厚、焊縫長(zhǎng)，適合采用埋弧橫工藝;

——鋼制安全殼母材SA738Gr.B配套埋弧焊焊材已研發(fā)成功。

1.2 必要性分析

——埋弧橫焊焊接參數(shù)穩(wěn)定，焊接熔深大，射線檢驗(yàn)合格率高，焊縫外觀成型均勻美觀;

——相對(duì)自動(dòng)氣保焊工藝而言，采用埋弧橫焊焊接的環(huán)焊縫質(zhì)量穩(wěn)定可靠;

——埋弧橫焊為機(jī)械化焊接，對(duì)焊工技能要求較低，降低了對(duì)高技能焊接人才的依賴;

——埋弧橫焊接操作工相比手工焊工培訓(xùn)周期大為縮短，節(jié)省大量焊工培訓(xùn)費(fèi)用;

——埋弧橫焊的應(yīng)用能有效提高焊接效率，從而提高經(jīng)濟(jì)效益。

2 焊接設(shè)備

采用的埋弧橫焊設(shè)備型號(hào)為YS-AGW-Ⅰ，主要包括焊接機(jī)頭、焊接電源、控制器、操作箱、焊接行走機(jī)架、焊劑自動(dòng)循環(huán)回收系統(tǒng)。焊接電源為DC-600可控硅直流多特性電源，負(fù)載率為100%，輸出電流50-850A，輸入電壓13-46V（空載電源：69V以上），穩(wěn)定性好;焊接電流、電壓采用數(shù)字化顯示，便于焊接參數(shù)控制;配備焊絲自動(dòng)矯直裝置，可進(jìn)行焊槍及角度調(diào)節(jié);具有焊縫配套激光光斑指示調(diào)節(jié)器，對(duì)焊槍在坡口中的位置可起到參考作用;焊接設(shè)備操作簡(jiǎn)單，易于操作;配套全封閉式防雨供電分配柜及焊接電源儲(chǔ)藏箱，具有自動(dòng)保護(hù)功能，適用現(xiàn)場(chǎng)防雨、防盜及長(zhǎng)途運(yùn)輸?shù)男枨蟆?/p>

3 焊接材料

筒體母材材質(zhì)為SA738 Gr.B，埋弧橫焊焊絲焊劑選用上海大西洋公司產(chǎn)品CHW-S62HR2/CHF102HR2，焊絲型號(hào)為EG，焊絲焊劑型號(hào)F9A（P）6-EG-F3，化學(xué)成分和力學(xué)性能滿足表1和表2，該產(chǎn)品為《壓水堆重大共性技術(shù)及關(guān)鍵設(shè)備、材料研究》子課題研究成果，在核電國(guó)產(chǎn)化材料研發(fā)中取得重大突破。

4 焊接工藝

4.1 坡口選定

針對(duì)埋弧橫焊在鋼制安全殼的應(yīng)用，設(shè)計(jì)了多組不同形式的坡口進(jìn)行焊接試驗(yàn)，在依次優(yōu)先遵循焊接質(zhì)量穩(wěn)定可靠，焊接變形小，脫渣容易，填充金屬量少原則進(jìn)行篩選，最終確定選擇X型坡口，鈍邊和組對(duì)間隙均不宜過(guò)大，以0～2mm為宜，如圖1所示。

4.2 焊接工藝參數(shù)

焊接電流、電壓、焊接速度、焊絲角度是影響埋弧焊質(zhì)量的主要變素，φ2.4mm埋弧焊絲的經(jīng)驗(yàn)焊接參數(shù)為：電流300～450A、電壓23～32V、焊接速度42～65cm/min。通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)，確定了最優(yōu)化的關(guān)鍵焊接工藝參數(shù)，如表3所示，焊道分布如圖1所示。

4.3 焊接工藝評(píng)定

對(duì)按最優(yōu)化工藝參數(shù)焊接的試件進(jìn)行理化檢驗(yàn)，其結(jié)果均滿足設(shè)計(jì)要求，具體如下：

4.4 打底焊工藝

當(dāng)坡口加工和組對(duì)質(zhì)量較好時(shí)，可以采用埋弧焊直接打底;當(dāng)出現(xiàn)組對(duì)間隙偏大、鈍邊不一致的情況;此時(shí)如果直接用埋弧橫焊打底焊，往往會(huì)導(dǎo)致焊縫根部燒穿。針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)組對(duì)間隙偏大的情況，可采用半自動(dòng)氣保焊或者手工焊進(jìn)行打底焊，或者在背面采用坡口內(nèi)陶瓷襯墊進(jìn)行焊接。

5 常見缺陷成因分析及措施

研究發(fā)現(xiàn)，埋弧橫焊常見的焊接缺陷有焊縫成型不良、氣孔、夾渣和燒穿等，對(duì)這些缺陷產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析，并提出相應(yīng)的改進(jìn)措施，以盡量避免類似缺陷問題的發(fā)生。

5.1 焊縫表面成形不良

5.1.1 成因分析

當(dāng)焊接電流增大時(shí)，焊縫的熔深和余高均增大，熔寬基本不變;當(dāng)電壓增大時(shí)，熔深略有減小而熔寬增大;焊接速度增大后，熔深略有減小而熔寬增大，余高減小。因此，當(dāng)電流過(guò)大而電壓過(guò)低時(shí)，會(huì)使焊縫表面堆積過(guò)大;當(dāng)焊接速度太慢或電壓過(guò)低時(shí)，會(huì)造成焊縫金屬滿溢，反之則造成焊縫金屬表面塌陷。

5.1.2 預(yù)防措施

加強(qiáng)焊接過(guò)程管理，對(duì)焊工進(jìn)行有針對(duì)性的操作技能模擬強(qiáng)化培訓(xùn)，使焊工對(duì)操作要點(diǎn)、重點(diǎn)、難點(diǎn)了然于胸，提高焊工操作技能水平。

5.2 氣孔缺陷

5.2.1 成因分析

埋弧橫焊縫產(chǎn)生氣孔的主要原因是氫氣，其是由焊材、母材帶入電弧區(qū)的水分所造成的。焊接材料和坡口不清潔，焊劑未烘干或烘干不徹底，焊絲表面、坡口表面及鄰近區(qū)域有油、銹和水分，都會(huì)使熔池中含氫量顯著增高而產(chǎn)生氣孔;焊劑層太薄、焊接電壓過(guò)高或網(wǎng)路電壓波動(dòng)較大時(shí)，電弧可能露出焊劑層，使熔池金屬受外界空氣污染而造成氣孔。

5.2.2 預(yù)防措施

防止氫氣孔的方法，是減少氫的來(lái)源和創(chuàng)造使氫逸出熔池的條件：

（1）焊劑：應(yīng)按規(guī)定嚴(yán)格烘干。如果天氣潮濕，焊劑從烘箱中取出到使用的間隔時(shí)間不能太長(zhǎng)，最好能在50℃左右溫度下保溫待用。回收再用的焊劑要重新烘干并應(yīng)避免被水、塵土等污染。

（2）嚴(yán)格清除焊絲表面和坡口兩側(cè)25mm范圍內(nèi)的油、銹和水分，如果沾有水分，要將焊接區(qū)域烘烤干燥后焊接。

（3）焊劑粒度要合適，細(xì)粉末和灰分要篩除，使焊劑有一定透氣性，利于氣體溢出。

（4）焊劑層厚度要合適，既要有一定透氣性，利于氣體逸出，又要阻隔空氣侵入熔池。

5.3 夾渣

5.3.1 原因分析

夾渣是指焊后殘留在焊縫中的熔渣的存在，會(huì)降低焊縫金屬的強(qiáng)度，使焊縫金屬的塑、韌性變差。埋弧橫焊時(shí)，焊縫的夾渣除與焊劑的脫渣性能有關(guān)外，還與工件的裝配情況和焊接工藝有關(guān)。對(duì)接焊縫裝配不良時(shí)，易在焊縫底層產(chǎn)生夾渣。焊縫成型對(duì)脫渣情況也有明顯影響。平而略凸的焊縫比深凹或咬邊的焊縫更容易脫渣。

5.3.2 預(yù)防措施

焊接時(shí)，按照要求嚴(yán)格控制組對(duì)間隙及質(zhì)量，對(duì)組對(duì)間隙較大的部位，先進(jìn)行手弧焊封底，再進(jìn)行埋弧焊接;嚴(yán)格控制焊劑的重復(fù)利用次數(shù)（最多2次）及重復(fù)利用時(shí)對(duì)篩選焊劑質(zhì)量的控制;焊接前加強(qiáng)對(duì)待焊部位的清理，防止外來(lái)固體顆粒物，侵入焊縫組對(duì)間隙內(nèi)，造成夾渣。

6 結(jié)語(yǔ)

研究表明，埋弧橫焊工藝焊接質(zhì)量穩(wěn)定可靠，生產(chǎn)效率高，可解決自動(dòng)熔化極氣保焊焊接橫縫易產(chǎn)生未熔合缺陷、焊接質(zhì)量不易保證的難題。建議在現(xiàn)場(chǎng)開展產(chǎn)品模擬試驗(yàn)驗(yàn)證后，可在工程進(jìn)行推廣應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

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