熱絲TIG自動(dòng)焊在核電站鋼襯里施工中的研究與應(yīng)用*

陳旭芳，王 康，王 雄

(中國(guó)建筑第二工程局有限公司，北京 100160)

1 工程概況

國(guó)內(nèi)某第三代核電堆型采用雙層安全殼設(shè)計(jì)，在內(nèi)層混凝土安全殼上敷鋼襯里，安全殼鋼襯里主要是由1萬(wàn)多m2的6mm厚碳鋼板拼接而成的超大容器，鋼板牌號(hào)為P265GH。國(guó)內(nèi)核電站安全殼鋼襯里對(duì)接焊縫預(yù)制安裝時(shí)，多使用手工焊條電弧焊、熔化極氣體保護(hù)焊或埋弧焊進(jìn)行焊接。熱絲TIG自動(dòng)焊具有電弧燃燒穩(wěn)定、焊接質(zhì)量?jī)?yōu)異等特點(diǎn)，相比冷絲焊接，熱絲焊接熔化速率更快、熔敷效率更高。該焊接技術(shù)已成熟應(yīng)用于核電站管道、不銹鋼水池鋼覆面焊接中。

2 熱絲TIG自動(dòng)焊工藝試驗(yàn)

2.1 材料與設(shè)備

1)母材

安全殼鋼襯里P265GH鋼板為優(yōu)質(zhì)碳素鋼板，相當(dāng)于國(guó)內(nèi)核電材料標(biāo)準(zhǔn)的20HR或Q265HR。碳當(dāng)量CE為0.30%，焊接性能良好，焊接6mm厚鋼板時(shí)不需焊前預(yù)熱及后熱處理。P265GH鋼板化學(xué)成分如表1所示。

表1 P265GH鋼板化學(xué)成分百分比 %

2)焊材

根據(jù)母材力學(xué)性能及設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求，選用型號(hào)ER50S-6、牌號(hào)CHG-56HR的焊絲進(jìn)行焊接。保護(hù)氣體采用純度≥99.99%的純氬。ER50S-6焊絲的熔敷金屬力學(xué)性能如表2所示，熔敷金屬力學(xué)性能優(yōu)異，熔敷金屬較純凈。

3)焊接設(shè)備

焊接設(shè)備采用米加尼克PI350 TIG焊接電源，并配備冷卻水箱、控制系統(tǒng)、熱絲電源、自動(dòng)焊機(jī)頭、真空吸盤(pán)軌道及氣泵等設(shè)施，具有弧壓跟蹤、預(yù)熱焊絲的功能，可通過(guò)自動(dòng)控制電弧高度、焊槍升降的方式，動(dòng)態(tài)跟蹤、動(dòng)態(tài)補(bǔ)償電弧長(zhǎng)度，同時(shí)焊前外加電源預(yù)熱焊絲，提高熔敷效率，實(shí)現(xiàn)高效焊接。自動(dòng)焊機(jī)頭軌道抽真空后吸附于鋼板上，組裝簡(jiǎn)單方便。

2.2 焊接工藝

1)坡口設(shè)計(jì)及焊道分布

熱絲TIG自動(dòng)焊采用單面焊雙面成型工藝焊接鋼襯里碳鋼板。本次試驗(yàn)為平焊位置，焊接坡口角度為單邊37.5°±2.5°，坡口鈍邊厚0.5～1.5mm，組對(duì)間隙為2～2.5mm，如圖1所示。

圖1 坡口設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用2塊500mm×150mm×6mm的試板。試板組對(duì)點(diǎn)固焊采用手工鎢極氬弧焊進(jìn)行焊接，打底焊時(shí)點(diǎn)固焊縫全部熔入試板焊縫。試板焊縫采用熱絲TIG脈沖焊時(shí)分3道焊縫，第1道為打底焊縫，第2道為填充層焊縫，第3道為蓋面層焊縫，焊道分布如圖2所示。

圖2 焊道分布

2)焊接工藝規(guī)范

通過(guò)一定數(shù)量的模擬件進(jìn)行焊接后，確定本試驗(yàn)焊接電流、焊接電壓及送絲速度等參數(shù)，采用直流正接，占空比為50%，保護(hù)氣體流量為18L/min，熱絲電流為50～70A，其余焊接參數(shù)如表3所示。焊接時(shí)熱輸入全過(guò)程控制在9kJ/cm內(nèi)，焊接層溫度控制在5～200℃，環(huán)境濕度控制在90%以下。

表3 焊接參數(shù)

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 無(wú)損檢測(cè)

完成焊接后，對(duì)試板進(jìn)行100%目視檢測(cè)、100%泄漏檢測(cè)、100%液體滲透檢測(cè)及100%射線檢測(cè)。檢測(cè)結(jié)果全部合格，焊縫表面及內(nèi)部均無(wú)缺陷，焊縫成型美觀(見(jiàn)圖3)。

圖3 焊縫外觀質(zhì)量

3.2 拉伸試驗(yàn)

截取2個(gè)橫向拉伸試樣，參照GB/T 2651—2008《焊接接頭拉伸試驗(yàn)方法》進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)為抗拉強(qiáng)度≥410MPa。經(jīng)試驗(yàn)，室溫抗拉強(qiáng)度分別為437,434MPa，試樣斷于母材，拉伸試驗(yàn)結(jié)果全部合格。

3.3 沖擊試驗(yàn)

截取2組(每組3件)5mm×10mm×55mm的沖擊試樣，在0℃下進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，參照GB/T 2650—2008《焊接接頭沖擊試驗(yàn)方法》，1組為焊縫區(qū)熔敷金屬?zèng)_擊試驗(yàn)，沖擊試樣缺口位于焊縫中心，垂直于試板表面；另1組為熱影響區(qū)沖擊試驗(yàn)，沖擊試樣缺口位于離焊縫熔合線1mm處，垂直于試板表面。根據(jù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，0℃下熔敷金屬和熱影響區(qū)沖擊試驗(yàn)結(jié)果平均值≥20J，最小值≥14J。

焊縫區(qū)、熱影響區(qū)的沖擊試驗(yàn)結(jié)果全部合格，實(shí)測(cè)值如圖4所示。由試驗(yàn)可知，焊縫區(qū)與熱影響區(qū)的沖擊功均遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)要求，沖擊功有很大裕量，說(shuō)明該焊接接頭有很大的韌性儲(chǔ)備。同時(shí)經(jīng)比較可知，焊縫區(qū)的沖擊功均小于熱影響區(qū)的沖擊功。

圖4 焊縫區(qū)與熱影響區(qū)沖擊試驗(yàn)實(shí)測(cè)值

3.4 金相試驗(yàn)

在試板焊縫上分別截取1個(gè)金相試樣，以檢驗(yàn)宏觀金相和微觀金相，試驗(yàn)參照標(biāo)準(zhǔn)分別為GB/T 226—2015《鋼的低倍組織及缺陷酸蝕檢驗(yàn)法》和GB/T 13298—2015《金屬顯微組織檢驗(yàn)方法》。在10倍放大鏡下觀察宏觀金相試樣，焊接接頭未發(fā)現(xiàn)裂紋，未出現(xiàn)未熔合、未焊透、夾渣、氣孔等焊接缺陷。

采用金相顯微鏡觀察接頭焊縫區(qū)、熔合區(qū)及熱影響區(qū)。焊縫區(qū)、焊縫與母材熔合區(qū)、熱影響區(qū)金相組織如圖5所示。由圖5可知，焊縫區(qū)與熱影響區(qū)金相組織為珠光體+鐵素體+貝氏體，在焊縫區(qū)及熱影響區(qū)均未發(fā)現(xiàn)微裂紋及因淬火產(chǎn)生的非正常組織。

圖5 金相組織(200×)

3.5 硬度試驗(yàn)

參照GB/T 2654—2008《焊接接頭硬度試驗(yàn)方法》，測(cè)量焊縫金屬、熱影響區(qū)及靠近熱影響區(qū)母材的顯微硬度，硬度荷載為100N。測(cè)量點(diǎn)分布如圖6所示，在距離上下母材表面2mm處各測(cè)量19個(gè)點(diǎn)。設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求焊接接頭的硬度HV10應(yīng)≤380，經(jīng)試驗(yàn)，接頭硬度測(cè)量值均合格，結(jié)果如圖7所示。從母材到焊縫金屬區(qū)的硬度有逐漸增大趨勢(shì)，焊接接頭表面焊縫金屬硬度明顯高于焊接接頭下表面的焊縫金屬硬度。

圖6 硬度測(cè)量點(diǎn)分布

圖7 各區(qū)域硬度測(cè)量值趨勢(shì)

4 工程應(yīng)用

4.1 自動(dòng)焊應(yīng)用

采用熱絲TIG自動(dòng)焊對(duì)安全殼鋼襯里底板進(jìn)行焊接，焊縫成型美觀，檢測(cè)焊縫真空泄漏、液體滲透及射線情況，焊縫無(wú)損檢測(cè)結(jié)果全部合格。

4.2 自動(dòng)焊推廣應(yīng)用問(wèn)題與措施

1)焊接接頭組對(duì)間隙超差 熱絲TIG自動(dòng)焊對(duì)坡口加工精度及組對(duì)間隙要求非常高，如組對(duì)間隙超寬或變窄會(huì)影響打底焊縫質(zhì)量，易產(chǎn)生未焊透、未熔合等缺陷。鋼襯里進(jìn)行產(chǎn)品組對(duì)時(shí)，組對(duì)間隙易超差，為保證自動(dòng)焊質(zhì)量，坡口應(yīng)采用機(jī)械設(shè)備進(jìn)行加工，以保證加工精度，同時(shí)在產(chǎn)品組對(duì)時(shí)嚴(yán)格控制組對(duì)間隙。如組對(duì)間隙超寬，應(yīng)在產(chǎn)品焊接前模擬焊接超寬或窄間隙，以適時(shí)調(diào)整焊道分布，或改用手工鎢極氬弧焊。

2)磁偏吹 在熱絲TIG自動(dòng)焊碳鋼過(guò)程中，磁偏吹會(huì)造成未熔合、未焊透等焊接缺陷。在焊接前或焊接過(guò)程中應(yīng)控制、消除產(chǎn)生磁偏吹的因素。

采用直流電流預(yù)熱焊絲時(shí)，由于焊絲中的加熱電流產(chǎn)生磁場(chǎng)影響，電弧會(huì)產(chǎn)生磁偏吹使電弧縱向偏擺。使用交流電源加熱填充焊絲可有效消除磁偏吹，還可使用脈沖熱絲TIG焊。

由于熱絲TIG自動(dòng)焊采用直流正接，接地線位置擺放不當(dāng)易使被焊碳鋼板或被焊件周邊材料產(chǎn)生磁性，從而加重電弧偏擺程度，影響焊接質(zhì)量。

3)夾鎢缺陷 自動(dòng)焊由于長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行大電流焊接，鎢極產(chǎn)生高溫而被燒損，同時(shí)在起弧、停弧時(shí)粘鎢，易造成夾鎢缺陷。自動(dòng)焊鎢極采用耐高溫的鑭鎢極可較好解決該問(wèn)題，同時(shí)應(yīng)控制起弧、?；〈螖?shù)，?；『髴?yīng)及時(shí)處理接頭。

5 結(jié)語(yǔ)

1)本文對(duì)核電站安全殼鋼襯里采用熱絲TIG自動(dòng)焊進(jìn)行研究。通過(guò)無(wú)損檢測(cè)、拉伸試驗(yàn)、沖擊試驗(yàn)、金相試驗(yàn)及硬度試驗(yàn)等方法，驗(yàn)證焊材選型、焊接坡口設(shè)計(jì)及焊接規(guī)范參數(shù)等符合熱絲TIG自動(dòng)焊的要求，表明熱絲TIG自動(dòng)焊接頭滿足安全殼鋼襯里設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

2)熱絲TIG自動(dòng)焊接頭在0℃下的低溫沖擊性能優(yōu)異，沖擊韌性裕量大。

3)將熱絲TIG自動(dòng)焊安全應(yīng)用于核電站安全殼鋼襯里，證明熱絲TIG自動(dòng)焊工藝可行，焊接質(zhì)量滿足核電站設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求。

4)對(duì)熱絲TIG自動(dòng)焊在核電站安全殼鋼襯里施工應(yīng)用中的質(zhì)量控制要點(diǎn)進(jìn)行總結(jié)，并加以分析。