核電汽輪機閥門密封面自動堆焊工藝研究

何芬， 王大勇， 劉友東

(東方汽輪機有限公司， 四川 德陽， 618000 )

1 引言

核電汽輪機閥門工作溫度低于300 ℃, 工作氛圍為飽和蒸汽, 含有約0.5%的水分[1],易產(chǎn)生水蝕, 因此在閥門密封面堆焊奧氏體類不銹鋼來防水蝕。 公司該類產(chǎn)品結(jié)構(gòu)如圖1 所示, 主汽閥和調(diào)節(jié)閥組對焊接完成后再采用手工電弧焊或手工鎢極氬弧焊進(jìn)行密封面堆焊, 存在以下問題：

（1）堆焊時操作工人需鉆進(jìn)閥殼內(nèi)部進(jìn)行施焊,施工環(huán)境惡劣, 操作不便, 危險系數(shù)高。

（2）工作量大,焊接質(zhì)量容易受人為因素影響。

（3）有一個面需進(jìn)行全位置焊接, 而焊接材料為ER309L 焊絲, 流動性非常好, 焊接質(zhì)量很難保證。

因此, 有必要進(jìn)行閥門密封面自動堆焊工藝研究。 目前為止, 已經(jīng)有很多人對多種結(jié)構(gòu)和材料的自動堆焊工藝進(jìn)行研究和分析[2-9],但是閥門密封面自動堆焊工藝方面的研究還很欠缺。

本文在分析閥門密封面堆焊結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,設(shè)計、 選用了專門自動堆焊設(shè)備, 進(jìn)行了工藝評定試驗, 得到了可行的自動堆焊工藝方案。

圖1 核電閥門示意圖（圈示部位為堆焊區(qū)）

2 試驗材料

核電閥門材料為G20Mo5, 屬于低合金鑄鋼,其化學(xué)成分及機械性能指標(biāo)與16Mn 接近, 見表1～2。 根據(jù)ISO/TR 15608： Welding - Guidelines for a metallic materials grouping system 中對材料的分組原則, 本試驗選用16Mn 代替G20Mo5 進(jìn)行了試驗。

表1 G20Mo5 與16Mn 化學(xué)成分對比 wt.%

表2 G20Mo5 與16Mn 機械性能對比

焊接材料為METRODE 公司AWS ER309L 盤 狀實芯焊絲, 直徑為Φ1.2, 其化學(xué)成分見表3。

表3 ER309L 化學(xué)成分[3]wt.%

3 試驗方案

3.1 焊接設(shè)備

奧氏體類焊材熔池流動性很好, 為便于操作和保證堆焊質(zhì)量, 焊接時盡可能使焊縫處于平焊位。 自動堆焊時閥門密封面堆焊結(jié)構(gòu)的特點如下：

（1）主汽閥和調(diào)節(jié)閥組堆焊后高度約為4 m,而且核電閥殼為非對稱結(jié)構(gòu), 穩(wěn)定性較差。 如果采用閥殼旋轉(zhuǎn)的方式實現(xiàn)自動焊接, 對轉(zhuǎn)臺的支撐、 旋轉(zhuǎn)要求程度非常高, 并且閥殼旋轉(zhuǎn)時比較危險。

（2）焊縫處于閥殼腔室內(nèi)較深的位置。

（3）焊槍活動空間較小, 觀察焊接過程不方便。

（4）焊縫為圓環(huán)形焊縫, 位置較高, 手動找正不方便。

核電閥門密封面自動堆焊設(shè)備及方案如圖2所示。

圖2 核電閥門密封面自動堆焊設(shè)備及方案示意圖

采用自動焊設(shè)備和方案解決了核電閥門對焊的問題：

（1）設(shè)備采用閥不動, 焊槍旋轉(zhuǎn)的方案解決平焊位時閥門不穩(wěn)定的問題。

（2）采用機頭伸出長管, 焊槍固定在長管端部的方案解決焊縫處于閥殼腔室內(nèi)較深的位置的問題, 此長管剛性很好, 保證焊槍穩(wěn)定性的同時保證焊接過程的穩(wěn)定性。

（3）長管在滿足剛性的前提下盡量細(xì)以保證焊槍的活動范圍和利于觀察焊接過程。

（4）焊接之前可通過堆焊面上的三點自動找正。

為了完成焊接過程, 該設(shè)備還可以實現(xiàn)以下功能：

（1）焊接開始之前橫梁按箭頭所示做水平和豎直運動, 機頭在橫梁上按箭頭方向做水平運動,確定合適的焊槍初始位置。

3.2 試驗方案

用試板堆焊工藝評定試驗和模擬產(chǎn)品堆焊驗證自動堆焊工藝方案的可行性及對公司產(chǎn)品的適應(yīng)性。 據(jù)實際情況認(rèn)為氬弧焊質(zhì)量比較高且較為穩(wěn)定, 因此試驗采用氬弧焊填絲的方法進(jìn)行焊接。

3.2.1 工藝評定試驗

按照ISO 15614-7 金屬材料焊接工藝規(guī)范和評定進(jìn)行焊接工藝評定, 試板尺寸為δ40 mm×200 mm×400 mm, 堆焊尺寸200 mm×150 mm×25 mm。試板焊后按熱處理和不熱處理分別進(jìn)行評定, 以驗證是否需要熱處理, 熱處理工藝如圖3 所示。

圖3 試板熱處理工藝

工藝評定內(nèi)容及所依據(jù)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)見表4。

表4 工藝評定內(nèi)容及所依據(jù)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

3.2.2 模擬產(chǎn)品試驗

從圖1 可以看出, 核電閥殼主要是進(jìn)行內(nèi)圓堆焊, 其他產(chǎn)品可能需要對外圓進(jìn)行堆焊, 因此模擬了內(nèi)外圓同時需要堆焊的情況, 如圖4 所示。模擬件尺寸按產(chǎn)品規(guī)格進(jìn)行簡化處理, 如圖5 所示, 焊后對模擬件焊縫按DW804A5123A-2006 進(jìn)行PT 檢驗, 要求無缺陷。

圖4 模擬件堆焊示意圖（深色區(qū)域為堆焊焊縫）

圖5 模擬件尺寸/mm

4 試驗結(jié)果及分析

4.1 工藝評定試驗

按表5 所示試驗參數(shù)焊接了兩塊試板, 其中一塊進(jìn)行熱處理, 另一塊不熱處理, 按表4 內(nèi)容進(jìn)行評定。

表5 工藝評定試驗參數(shù)

4.1.1 熱處理工藝評定

布病性附睪、睪丸炎影像學(xué)提示單側(cè)或雙側(cè)睪丸、附睪炎癥，排除由其他病原感染、外傷或腫瘤等原因引起的附睪炎或睪丸炎，可診斷該病。

圖6 為熱處理之前的試板堆焊照片, 目視檢查不存在未熔合、 未焊透、 夾渣、 裂紋等缺陷,符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖6 熱處理之前試板堆焊照片

熱處理之后進(jìn)行滲透檢驗、 超聲波檢驗、 宏觀金相試驗、 維氏硬度（HV10）試驗, 化學(xué)成分分析和δ 鐵素體含量測定, 結(jié)果如下：

（1）滲透檢測結(jié)果為未見超標(biāo)缺陷顯示, 符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

（2）超聲波檢測結(jié)果為未見超標(biāo)脈沖反射信號顯示, 符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

（3）宏觀金相試驗結(jié)果如圖7 所示, 無宏觀可見裂紋、 未焊透、 未熔合和母材結(jié)合不良的缺陷,也不存在＞2 mm 的單個氣孔, 符合ISO 15614-7標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖7 熱處理試件宏觀金相

（4）按圖8 進(jìn)行維氏硬度（HV10）試驗取點,硬度分布情況如圖9 所示。 從圖中可以看出： 硬度分布規(guī)律為熱影響區(qū)最高, 焊肉區(qū)次之, 母材最低, 最高硬度為218, 小于ISO 15614-7 標(biāo)準(zhǔn)中的最大值380, 滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖8 維式硬度取點位置示意圖

圖9 維式硬度分布（熱處理）

（5）按圖10 進(jìn)行堆焊化學(xué)成分分析取樣, 因為實際生產(chǎn)中需要對耐腐蝕堆焊層進(jìn)行加工, 所以用表面2 進(jìn)行化學(xué)成分分析, 結(jié)果見表6。

圖10 堆焊層化學(xué)分析取樣示意圖

表6 熱處理試件堆焊層化學(xué)成分 wt.%

（6）根據(jù)試樣的化學(xué)成分, 按舍弗勒相圖計算得到δ 鐵素體含量為6%, 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定為5%～12%, 滿足要求。 弗勒相圖如圖11 所示。

圖11 舍弗勒相圖[3]

δ 相鐵素體是奧氏體狀態(tài)不銹鋼在凝固過程中生成并保留到常溫的鐵素體, 奧氏體不銹鋼焊縫中的δ 相鐵素體具有防止焊接熱裂紋, 改善焊接接頭的耐蝕性和力學(xué)性能等作用, 但是δ 相鐵素體含量過高會引起焊縫金屬的脆化等問題, 因此應(yīng)確保δ 相鐵素體在一定的范圍內(nèi)。 目前我國奧氏體不銹鋼焊縫金屬中δ 相鐵素體的合適含量還沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn), 對壓水堆核電站用焊接材料,一般要求δ=5%～12%[10]。

根據(jù)以上結(jié)果, 在熱處理的情況下試驗結(jié)果能滿足ISO 15614-7 和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求, 工藝評定合格。

4.1.2 不熱處理工藝評定

不熱處理工藝評定結(jié)果如下：

（1）圖12 為不熱處理試板堆焊照片, 目視檢查結(jié)果符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

（2）滲透檢驗結(jié)果和超聲波檢測結(jié)果符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

（3）宏觀金相試驗結(jié)果如圖13 所示, 無宏觀可見的裂紋、 未焊透、 未熔合和母材結(jié)合不良的缺陷, 也不存在＞2 mm 的單個氣孔, 符合ISO 15614-7 標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖12 不熱處理試板堆焊照片

圖13 不熱處理試件宏觀金相

（4）按圖8 進(jìn)行維氏硬度（HV10）試驗取點,硬度分布情況如圖14 所示。 從圖14 可以看出,硬度分布規(guī)律與熱處理時相同, 各區(qū)硬度值與熱處理時各區(qū)硬度值非常接近, 熱處理對硬度值基本無影響。 最高硬度為222, 小于ISO 15614-7 標(biāo)準(zhǔn)中的最大值380, 滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖14 維式硬度分布（不熱處理）

（5）按圖10 進(jìn)行堆焊化學(xué)成分分析取樣, 化學(xué)成分分析結(jié)果見表7。

表7 不熱處理試件堆焊層化學(xué)成分 wt.%

（6）根據(jù)化學(xué)成分查舍弗勒相圖得到δ 鐵素體含量為6%, 滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的5%～12%要求。

根據(jù)以上結(jié)果, 在不熱處理的情況下試驗結(jié)果也能滿足ISO 15614-7 和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求, 因此堆焊完成后, 不需要進(jìn)行熱處理。

4.2 模擬產(chǎn)品試驗

按模擬產(chǎn)品試驗方案進(jìn)行模擬件堆焊試驗,完成后的模擬件如圖15 所示。 可以看出內(nèi)、 外圓焊縫均達(dá)到了焊道平整、 尺寸均勻一致性好、 同心度好、 各焊道搭接量合適等要求, 經(jīng)目視檢測無未熔合、 未焊透、 夾渣、 裂紋等缺陷, 滲透檢測未見超標(biāo)缺陷顯示, 符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖15 模擬件堆焊

根據(jù)以上結(jié)果, 可以確定所用的自動堆焊設(shè)備可以適應(yīng)公司產(chǎn)品結(jié)構(gòu)要求, 且堆焊質(zhì)量合格。

5 結(jié)論

（1）所選用的自動堆焊設(shè)備能適應(yīng)公司產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的要求。

（2）應(yīng)用所選的自動堆焊設(shè)備, 通過選定合適的工藝參數(shù), 焊接質(zhì)量能滿足ISO 15614-7 及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

（3）堆焊完成后, 不需要進(jìn)行熱處理, 堆焊質(zhì)量即能滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。