小孔型等離子自動焊接技術(shù)在不銹鋼薄壁容器中的應(yīng)用

何宏宇 鄭建能 劉玉平 李莉 李厚彬 范磊

(二重(德陽)重型裝備有限公司，四川618000)

我國是核技術(shù)大國，核技術(shù)在軍用和民用領(lǐng)域已得到了廣泛的應(yīng)用。隨著我國核技術(shù)的蓬勃發(fā)展，相應(yīng)的也累積了大量的高放廢物亟待處理。目前，我國對高放廢物治理的工藝路線將采用“玻璃固化-地質(zhì)處置”，玻璃固化容器是第一道安全屏障，貫穿了從玻璃液澆注，到吊裝、運(yùn)輸、長期儲存，以及最終地質(zhì)處置環(huán)節(jié)的全過程，它的主要功能是包容廢物中的放射性核素，滿足灌裝、搬運(yùn)、運(yùn)輸、儲存和最終處置全過程的安全和功能性要求。

玻璃固化容器為典型的不銹鋼薄壁容器，容器由上封頭、筒體和下封頭三部分組成，我公司前期采用TIG焊進(jìn)行了模擬件的制造，通過合理的焊道分布和熔池溫度控制，焊接后的容器變形仍然難以滿足玻璃固化容器的尺寸精度要求，為有效解決該問題，開展了小孔型等離子自動焊接技術(shù)的開發(fā)。

小孔型等離子焊接工藝在焊接時(shí)，被壓縮的等離子焰流穿透工件形成一個(gè)小孔，被熔化的金屬在電弧吸力、液體金屬重力與表面張力相互作用下保持平衡，焊槍前進(jìn)時(shí)，小孔在電弧后方鎖閉，形成完全熔透的焊縫。該工藝的優(yōu)點(diǎn)在于：1)在不開坡口的情況下可穿透最厚8 mm的不銹鋼工件，達(dá)到單層單道焊接的目的，有效降低多層多道焊接造成焊縫層間缺陷的風(fēng)險(xiǎn)；2)電弧穩(wěn)定且集中，熱影響區(qū)較小；3)相對熱輸入量小，焊接變形量較??；4)良好的焊縫外觀質(zhì)量；5)生產(chǎn)效率高。鑒于小孔型等離子焊接工藝在不銹鋼薄壁件焊接方面的諸多優(yōu)勢，該項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用到玻璃固化容器將大大提升焊縫質(zhì)量穩(wěn)定性和焊接效率。

1 試驗(yàn)材料與接頭型式

1.1 試驗(yàn)材料

1.1.1 基體材料

玻璃固化容器的工作環(huán)境復(fù)雜，對材料綜合性能要求極高。在玻璃液澆注過程中，將持續(xù)向容器中裝填1000～1100℃熔融玻璃，時(shí)間長達(dá)3～4 h；澆注完成后，因容器內(nèi)部高溫玻璃的持續(xù)散熱，容器還將在較長的一段時(shí)間內(nèi)處于一個(gè)較高的溫度區(qū)間，因此對容器材料的耐高溫性能要求極高。為此，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)在X9CrNiSiNCe21-12-2奧氏體耐熱不銹鋼，型號1.4835的基礎(chǔ)上，研制出一種用于玻璃固化容器的耐熱不銹鋼材料3YC73。

本次試驗(yàn)用試件的基體材料為耐熱不銹鋼材料3YC73，基體材料的化學(xué)成分和性能如表1和表2所示。

表1 耐熱不銹鋼X9CrNiSiNCe21-12-2的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 Chemical composition of heat-resistant stainless steel X9CrNiSiNCe21-12-2 (mass fraction,%)

表2 耐熱不銹鋼X9CrNiSiNCe21-12-2的力學(xué)性能Table 2 Mechanical properties of heat-resistant stainless steel X9CrNiSiNCe21-12-2

1.1.2 焊接材料

試件焊接材料選用國外某公司不銹鋼實(shí)芯焊絲，焊絲型號為21 10N，規(guī)格?1.2 mm。焊絲的化學(xué)成分和理化性能的復(fù)驗(yàn)結(jié)果如表3和表4所示。

表3 焊絲21 10N的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 3 Chemical composition of welding wire 21 10N (mass fraction,%)

表4 焊絲21 10N的力學(xué)性能Table 4 Mechanical properties of welding wire 21 10N

1.2 接頭型式

由于小孔型等離子弧焊工藝的特點(diǎn)，能夠在不開坡口的情況下對厚度在8 mm以下的不銹鋼件進(jìn)行焊接，因此，試驗(yàn)采用的I型的焊接接頭型式，具體如圖1所示。

圖1 試件的接頭型式Figure 1 The joint type of the test piece

2 焊接試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

奧氏體不銹鋼焊縫受到污染時(shí)耐蝕性和強(qiáng)度性能會受到影響。焊接前，對焊接坡口表面及鄰近區(qū)域進(jìn)行徹底的清理，清除表面粉塵、油污、水漬及其他污染物，同時(shí)采用不銹鋼刷或砂輪打磨的方式清楚坡口表面的氧化膜。

2.2 裝配要求

小孔型等離子焊接工藝對試件的裝配錯(cuò)邊量較為敏感，錯(cuò)邊量較大時(shí)，容器在較高位置一側(cè)容易出現(xiàn)咬邊，當(dāng)錯(cuò)邊量過大時(shí)，甚至?xí)霈F(xiàn)未熔合的情況。本試驗(yàn)通過對試件在不同錯(cuò)邊量情況下的焊縫成形情況進(jìn)行對比，錯(cuò)邊量控制在0～0.2 mm范圍內(nèi)為宜[1]。

2.3 焊接工藝參數(shù)

等離子焊接對焊接規(guī)范較為敏感，焊接參數(shù)的泛用性較差。小孔型等離子焊接獲得成形良好焊縫的前提是確保焊接過程中熔池上形成穩(wěn)定的小孔穿透，其中影響小孔穿透的主要工藝參數(shù)包括焊接電流、等離子氣流量、噴嘴尺寸等，另外，保護(hù)氣體流量、焊接速度等主要焊接參數(shù)的調(diào)整都會對焊縫的最終成形造成影響，因此在選擇小孔型等離子焊接參數(shù)時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

(1)為了獲得穩(wěn)定的小孔等離子弧焊，離子氣流量、焊接電流、焊接速度三個(gè)參數(shù)要保持適當(dāng)?shù)钠ヅ?，隨著焊接速度的提高，必須提高焊接電流或離子氣流量，如果焊接電流一定，增大離子氣流量的同時(shí)就要增大焊接速度，若焊接速度一定時(shí)，增加離子氣流量，應(yīng)相應(yīng)減少焊接電流。

(2)在焊接過程中，焊縫表面易形成氧化膜，因此氣體保護(hù)的效果將直接影響焊縫表面質(zhì)量。本試驗(yàn)中正面保護(hù)氣體使用Ar+H2混合氣體，混合氣中添加氫氣可提高電弧強(qiáng)度及電場強(qiáng)度，能夠更有效地將電弧熱量傳遞給工件，但氫氣含量過多，焊縫容易出現(xiàn)氣孔及裂紋，因此，混合氣的混合比例控制在98∶2，保護(hù)氣體流量為20～30 L/min；背面保護(hù)氣體使用純度為99.999%的Ar，氣體流量為30～40 L/min；拖罩氣體使用純度為99.999%的Ar，氣體流量為20～35 L/min。

(3)噴嘴孔徑根據(jù)焊接電流和離子氣流量確定，對于給定的電流和離子氣流量，噴嘴孔徑越小，沖擊力越大更利于切割金屬，而孔徑過小則可能產(chǎn)生雙弧，破壞等離子弧的穩(wěn)定性。常用孔徑在2.0～4.0 mm，本試驗(yàn)選用的噴嘴孔徑為2.8 mm。

(4)鎢極選用規(guī)格為?4.0 mm的鑭鎢極，該鎢極焊接性能優(yōu)良，使用壽命長適合批量化產(chǎn)品焊接。

(5)焊接速度也是影響小孔效應(yīng)的一個(gè)重要參數(shù)。在其他條件一定時(shí)，焊接速度增加，焊縫的熱輸入減小，小孔直徑亦隨之減小，最后消失。反之，如果焊速太低，母材會過熱，背面焊縫會出現(xiàn)下陷甚至熔池泄漏等缺陷。本試驗(yàn)中焊接速度控制在210 mm/min，能夠確保焊接過程中的小孔穿透效果。

(6)不銹鋼常溫下平衡相為奧氏體組織，快冷也不會形成硬脆馬氏體組織，正常情況下不需要預(yù)熱緩冷措施。由于四川地區(qū)室內(nèi)溫度常年在5～30℃之間，本試驗(yàn)分別在5℃和30℃溫度下采用相同焊接工藝參數(shù)獲得的焊縫表觀質(zhì)量進(jìn)行了對比。如圖2所示，通過對比可發(fā)現(xiàn)試件在30℃下焊接獲得的焊縫邊緣更加齊整、潤濕角更小。因此，試件在正式焊接前采用熱風(fēng)槍對待焊坡口表面及鄰近區(qū)域進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱溫度控制在30～35℃。

通過對各焊接參數(shù)的工藝性試驗(yàn)，獲得了具有良好成形效果的焊接工藝規(guī)范，具體焊接規(guī)范如表5所示。采用此參數(shù)獲得的試件焊縫內(nèi)外表面如圖3所示。

表5 小孔型等離子焊接規(guī)范Table 5 Specifications for small hole plasma welding

(a)工件溫度5℃時(shí) (b)工件溫度30℃時(shí)

(a)外側(cè) (b)內(nèi)側(cè)

2.4 環(huán)縫起弧、收弧部位的工藝控制措施

采用小孔型等離子進(jìn)行中厚板焊接時(shí)，在引弧和收弧階段容易產(chǎn)生氣孔、焊縫不飽滿甚至缺肉的情況[2]，這種情況在焊接縱縫時(shí)，可以通過在縱縫兩側(cè)焊接引弧板和收弧板的方式解決。由于環(huán)縫是閉環(huán)焊縫，焊接時(shí)不能通過加引弧板和收弧板的方式規(guī)避焊接缺陷的產(chǎn)生，這種情況下，通常采取焊接電流和等離子氣流量遞增的方式進(jìn)行引弧，在焊接至環(huán)縫搭接部位時(shí)采取焊接電流和等離子氣流量衰減的方式收弧并閉合小孔。在環(huán)縫起弧和收弧時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

(1)起弧的好壞直接會影響到焊縫收弧質(zhì)量，起弧階段必須嚴(yán)格控制焊縫余高。焊縫余高過高，會造成該部位局部增厚，當(dāng)環(huán)縫焊接至收弧階段時(shí)，會因該部位厚度增加，等離子弧穿透力不夠，而無法形成小孔穿透，導(dǎo)致焊縫搭接處出現(xiàn)未熔合等焊接缺陷；另一方面，起弧部位余高過高可能影響送絲，導(dǎo)致填充金屬難以送到熔池中，導(dǎo)致焊縫成形不好。本試驗(yàn)采用等離子電弧遞增式起弧，起弧后焊槍以正常焊接速度210 mm/min行走，焊接電流在2.5 s內(nèi)從110 A緩變遞增到正常焊接電流165 A，等離子氣體流量在2.5 s內(nèi)遞增到5.0 L/min，送絲速度在4 s內(nèi)遞增到350 mm/min，隨后在2 s內(nèi)遞增至900 mm/min。

(2)在焊縫收弧階段，等離子電弧呈一個(gè)逐漸衰減的過程，一方面要保證熔池與起弧部位的焊縫熔合好，另一方面隨著等離子電弧的衰減，從小孔穿透型向熔入型等離子焊接過渡過程中，熔池溫度降低，熔融的焊絲未能充分鋪開已開始凝固，在焊縫中心部位會有氣體來不及溢出，導(dǎo)致焊接接頭出現(xiàn)偶發(fā)性的氣孔，如圖4所示。本試驗(yàn)采用等離子電弧遞減式收弧，收弧時(shí)送絲速度在6 s內(nèi)緩變衰減至1000 mm/min，焊接電流在6 s內(nèi)緩變衰減至125 A，等離子氣體流量在7 s內(nèi)緩變衰減到1.5 L/min。

圖4 收弧部位出現(xiàn)的氣孔缺陷Figure 4 Stomatal defects in the arc end

2.5 焊縫未熔合缺陷的工藝控制措施

在玻璃固化容器環(huán)縫焊接過程中，會偶發(fā)性地出現(xiàn)電弧紊亂的現(xiàn)象，此時(shí)熔池內(nèi)的表現(xiàn)為鐵水滯留、等離子弧穿透力不夠。通過對該區(qū)域焊縫進(jìn)行射線檢測，發(fā)現(xiàn)局部未熔合的情況。

分析未熔合產(chǎn)生的原因有以下三點(diǎn)：

(1)環(huán)縫裝配時(shí)，坡口兩側(cè)錯(cuò)邊量較大，導(dǎo)致等離子弧在切割工件的過程中，內(nèi)側(cè)錯(cuò)邊一側(cè)等離子弧需穿透的厚度增厚，導(dǎo)致穿透力不夠，該區(qū)域未能形成穿孔效應(yīng)。

(2)坡口兩側(cè)母材厚度不均勻，部分區(qū)域增厚明顯。根據(jù)對環(huán)縫兩側(cè)母材厚度進(jìn)行測量，厚度一般在5.9～6.4 mm之間。

(3)焊接電流、等離子氣流量和焊接速度不匹配，導(dǎo)致熱輸入量較小，熔池整體溫度偏低，造成鐵水滯留的情況。

為防止未熔合缺陷產(chǎn)生，焊接過程中采用了以下技術(shù)控制措施：

(1)增加環(huán)縫裝配精度，嚴(yán)格控制環(huán)縫坡口兩側(cè)錯(cuò)邊量，錯(cuò)邊量嚴(yán)格控制在0.2 mm以內(nèi)。對于裝配后錯(cuò)邊量超過0.2 mm的環(huán)縫，對坡口內(nèi)側(cè)進(jìn)行打磨，消除錯(cuò)邊。

(2)焊前對工件兩側(cè)母材厚度進(jìn)行復(fù)測，對壁厚超過6.2 mm的部位，根據(jù)實(shí)際情況必要時(shí)進(jìn)行打磨減薄處理。

(3)采用較低的焊接速度，增加焊接熱輸入量，使小孔效應(yīng)在整個(gè)焊接過程中趨于穩(wěn)定。本次試驗(yàn)最終選取的焊接速度為210 mm/min，采用該焊接速度進(jìn)行試板焊接，電弧穩(wěn)定，穿透效果良好。

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 試件的無損檢測

試件焊接完成后進(jìn)行了100%的液體滲透檢測和射線檢測，液體滲透檢測按NB/T 47013.5—2015規(guī)定，I級合格；射線檢測按NB/T 47013.2—2015規(guī)定，檢測技術(shù)為AB級，II級合格。試件經(jīng)檢測未發(fā)現(xiàn)任何超標(biāo)缺陷，符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)規(guī)范要求。

3.2 試件的破壞性試驗(yàn)

為了驗(yàn)證焊接接頭性能，對試件進(jìn)行了破壞性試驗(yàn)，分別對焊接接頭的拉伸性能、沖擊性能、彎曲性能、高溫蠕變性能以及晶間腐蝕性能進(jìn)行了檢驗(yàn)，結(jié)果如表6～表10所示。結(jié)果表明，這種焊接工藝得到的焊接接頭性能達(dá)到甚至優(yōu)于母材的性能指標(biāo)，滿足產(chǎn)品焊接要求。

表6 試件拉伸性能試驗(yàn)結(jié)果Table 6 Test results of tensile properties of specimens

表7 試件彎曲性能試驗(yàn)結(jié)果Table 7 Test results of bending properties of specimens

表8 試件高溫蠕變性能結(jié)果Table 8 Test results of high temperature creep properties of specimens

表9 評定試件沖擊試驗(yàn)結(jié)果Table 9 Impact test results of evaluation specimens

表10 試件晶間腐蝕性能試驗(yàn)結(jié)果Table 10 Test results of intergranular corrosion performance of specimens

通過觀察焊接接頭的微觀金相照片，如圖5，焊縫組織為奧氏體+體素體組織，熱影響區(qū)為奧氏體組織，在放大200倍下觀察，未發(fā)現(xiàn)微裂紋和沉淀物。

圖5 試件焊接接頭微觀組織Figure 5 Microstructure of the welded joint of the specimen

4 生產(chǎn)應(yīng)用

在焊接工藝驗(yàn)證試驗(yàn)和焊接工藝評定合格的基礎(chǔ)上，將該焊接工藝方案應(yīng)用到實(shí)際產(chǎn)品的焊接，制造的玻璃固化容器，焊接變形可控、焊縫質(zhì)量穩(wěn)定、性能滿足實(shí)際工況要求。

4.1 焊接變形情況

4.1.1 筒體縱縫焊接變形情況

采用外圓弧樣板對打磨后的筒體縱縫進(jìn)行了棱角度檢查，樣板與工件之間形成的棱角采用塞尺進(jìn)行測量，棱角度不超過0.3 mm，如圖6所示，滿足技術(shù)規(guī)格書中縱縫棱角度不大于0.3 mm的要求。

圖6 縱縫棱角度測量Figure 6 Angular measurement of longitudinal seam

4.1.2 筒體與封頭環(huán)縫焊接變形情況

采用長度為300 mm的直線樣板對打磨后的容器環(huán)縫進(jìn)行了棱角度檢查，直尺與工件之間形成棱角采用塞尺進(jìn)行測量，棱角度最大處為0.75 mm，滿足技術(shù)規(guī)格書中環(huán)縫棱角度不大于0.8 mm的要求。

4.2 無損檢測情況

焊縫按NB/T 47013—2015的要求進(jìn)行PT和RT檢測，全部合格。

4.3 實(shí)際工況應(yīng)用情況

玻璃固化容器在國內(nèi)某玻璃固化處置線上進(jìn)行了玻璃澆注試驗(yàn)，容器經(jīng)熱沖擊后，軸向和周向變形情況均滿足設(shè)備技術(shù)規(guī)格書的要求。

5 結(jié)論

(1)采用本方案焊接時(shí)實(shí)際焊接速度為210 mm/min，能夠?qū)崿F(xiàn)7 min完成一條玻璃固化容器焊縫的焊接，極大的提升生產(chǎn)效率；

(2)采用本方案焊接時(shí)，能夠在單層單道焊基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)單面焊雙面成形，降低焊接變形造成的后續(xù)工序處理難度；提升焊縫一次合格率，降低多層多道焊接可能存在的焊接過程質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)。

(3)焊接接頭的力學(xué)性能、高溫蠕變、晶間腐蝕等性能均達(dá)到玻璃固化容器的性能指標(biāo)要求。

(4)本焊接方案在產(chǎn)品上應(yīng)用后，焊縫成形良好、質(zhì)量穩(wěn)定，滿足實(shí)際使用要求。