核反應(yīng)堆壓力容器用焊條工藝量化評(píng)價(jià)研究

張克靜，陳耕耘，朱宇霆，張尚林，黃炳炎

1.四川大西洋焊接材料股份有限公司，四川 自貢 643000

2.中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院，四川 成都 610213

0 前言

能源問(wèn)題是當(dāng)今世界共同關(guān)注的一個(gè)焦點(diǎn)，國(guó)際社會(huì)都在考慮如何加強(qiáng)能源戰(zhàn)略。隨著能源需求的持續(xù)增長(zhǎng)，能源問(wèn)題同樣成為制約我國(guó)經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和環(huán)境發(fā)展的瓶頸。核電作為可靠的清潔能源方式在我國(guó)已經(jīng)進(jìn)入了批量化發(fā)展與技術(shù)更新?lián)Q代并舉的新階段，新一輪的核電建設(shè)高潮正在掀起，大力發(fā)展核電就必須解決核級(jí)設(shè)備用焊接材料的國(guó)產(chǎn)化問(wèn)題。

焊接工藝性能是焊材質(zhì)量的關(guān)鍵性能之一，工藝性能的優(yōu)劣直接決定焊縫質(zhì)量的好壞。核反應(yīng)堆壓力容器[1]是長(zhǎng)期服役于惡劣環(huán)境的核電主要裝備，焊縫是整個(gè)裝備建造中最薄弱的環(huán)節(jié)，焊縫性能直接決定了設(shè)備壽命[2]。國(guó)產(chǎn)核電堆型“華龍一號(hào)”反應(yīng)堆壓力容器采用低合金鋼16MND5，其配套的焊條已進(jìn)行了國(guó)產(chǎn)化研制。目前，盡管?chē)?guó)產(chǎn)核級(jí)焊材在化學(xué)成分控制及性能方面已達(dá)到或接近進(jìn)口焊材水平，但由于其焊接工藝性能方面缺少量化評(píng)價(jià)或考核，無(wú)法量化其與進(jìn)口同類(lèi)焊材的差距，嚴(yán)重制約了國(guó)產(chǎn)焊條的推廣應(yīng)用[3]。

本文以定量的方式對(duì)焊接材料進(jìn)行評(píng)價(jià)，歸納研究影響焊接工藝穩(wěn)定性的要素，如電弧穩(wěn)定性、脫渣性、成形外觀(guān)等，在保證力學(xué)性能的現(xiàn)有評(píng)價(jià)體系[4]上，實(shí)現(xiàn)從“能用”到“好用”的轉(zhuǎn)變，從而縮短與先進(jìn)焊材生產(chǎn)國(guó)家的差距，提升產(chǎn)品服役性能與焊接材料的關(guān)聯(lián)度，對(duì)實(shí)現(xiàn)核電設(shè)備制造的全部國(guó)產(chǎn)化意義重大。

1 工藝量化方法

藥皮焊條的性能（如焊接特性和焊縫金屬的力學(xué)性能）主要受藥皮影響，焊接材料相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中僅對(duì)藥皮的渣系類(lèi)別進(jìn)行了說(shuō)明。由于國(guó)內(nèi)外各廠(chǎng)家的焊條焊接工藝特性[5]的差異，造成堿性低氫型藥皮的組成千差萬(wàn)別，使得焊條的工藝性能也各不相同。

從焊接材料的選用原則[6]來(lái)看，反應(yīng)堆壓力容器這類(lèi)承受高溫、高壓的設(shè)備制造過(guò)程中，設(shè)計(jì)優(yōu)先選用的焊條均為堿性低氫鐵粉型，該類(lèi)型焊條的藥皮中含有大量的氧化鈣和螢石，通過(guò)穩(wěn)弧劑的調(diào)控，再加之含有大量的鐵粉，可以得到低擴(kuò)散氫含量、高冶金性能的焊縫，同時(shí)具有抗大電流承載能力和較高的熔敷效率。

焊條的全位置焊接對(duì)焊接工藝性能提出了很高的要求，尤其是一些特殊位置、坡口的焊接，脫渣不好、飛濺大就需要進(jìn)行大量的清理工作，造成資源浪費(fèi)。焊縫的成形尺寸不佳，則容易造成應(yīng)力集中，從而產(chǎn)生夾渣、開(kāi)裂等缺陷，影響設(shè)備安全。目前各大設(shè)備制造廠(chǎng)對(duì)焊接工藝的評(píng)價(jià)基本都是依賴(lài)經(jīng)驗(yàn)評(píng)估，存在較大的個(gè)人傾向性，使得國(guó)產(chǎn)焊材的推廣效率不高，而通過(guò)量化指標(biāo)對(duì)影響焊接的主要指標(biāo)（如脫渣性、飛濺率、焊縫成形等）進(jìn)行量化評(píng)定，能夠更加客觀(guān)地評(píng)價(jià)焊條工藝。

對(duì)于焊接材料工藝性能量化評(píng)價(jià)方法，國(guó)內(nèi)主要執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)是GB/T 25776—2010《焊接材料焊接工藝性能評(píng)定方法》[7]，標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)焊條電弧焊中關(guān)鍵工藝指標(biāo)，如脫渣性、飛濺率、熔敷效率等給出了評(píng)定方法。

1.1 脫渣性

脫渣性試驗(yàn)為將尺寸400 mm×100 mm×16 mm的兩塊試板進(jìn)行對(duì)接焊，坡口角度70°±1°，鈍邊1～3 mm，不留根部間隙；焊條直徑4.0 mm。焊前點(diǎn)焊固定試板，焊接時(shí)采用單道焊，焊條不擺動(dòng)，焊道長(zhǎng)度和熔化焊條長(zhǎng)度比值約為1∶1.3，焊條的剩余長(zhǎng)度約50 mm。試板焊接后，立即將焊道朝下水平置于錘擊平臺(tái)上，保證落球錘擊在試板中心位置。將質(zhì)量為2 kg的鐵球置于高1.3 m的支架上。焊后1 min，使鐵球從固定的落點(diǎn)，以初速度為零的自由落體狀態(tài)錘擊試板中心。連續(xù)錘擊5次，按式（1）計(jì)算脫渣率。每種焊條測(cè)定兩次，取其算術(shù)平均值。

式中D為脫渣率；l0為焊道總長(zhǎng)度（單位：mm）；l為未脫渣總長(zhǎng)度（單位：mm），按式（2）計(jì)算

式中l(wèi)1為未脫渣長(zhǎng)度（單位：mm）；l2為嚴(yán)重粘渣長(zhǎng)度（單位：mm）；l3為輕微粘渣長(zhǎng)度（單位：mm）。

1.2 飛濺率

將尺寸為300 mm×50 mm×20 mm的試板立放在厚度大于3 mm的紫銅板上，在紫銅板上放置一個(gè)用約1 mm厚的紫銅薄板圍成的高400 mm的類(lèi)圓筒型，其周長(zhǎng)為1 500～2 000 mm，以防止飛濺物散失。試驗(yàn)在圓筒內(nèi)進(jìn)行，焊條熔化至剩余長(zhǎng)度約50 mm處滅弧。每組試驗(yàn)取3根焊條，分別在3塊試板上施焊。焊前稱(chēng)量焊條質(zhì)量，焊后稱(chēng)量焊條頭和飛濺物的質(zhì)量，稱(chēng)量精確至0.01 g，按式（3）計(jì)算飛濺率。

式中S為飛濺率；m為飛濺物總質(zhì)量（單位：g）；m1為焊條總質(zhì)量（單位：g）；m2為焊條頭總質(zhì)量（單位：g）。

1.3 焊縫成形

采用焊縫檢驗(yàn)尺測(cè)量焊縫，其主要由主尺、高度尺、咬邊深度尺和多用尺四個(gè)零件組成，用來(lái)檢測(cè)焊件的各種坡口角度、高度、寬度、間隙和咬邊深度，是直觀(guān)的數(shù)據(jù)測(cè)量焊縫成形質(zhì)量的專(zhuān)用工具。

2 工藝量化測(cè)試

四川大西洋焊接材料股份有限公司和中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院承擔(dān)的國(guó)家重大專(zhuān)項(xiàng)“華龍一號(hào)”及在役核電機(jī)組關(guān)鍵核心技術(shù)裝備攻關(guān)“核級(jí)焊接材料”課題經(jīng)過(guò)前期的科研攻關(guān)，通過(guò)對(duì)焊條藥皮渣系的研究、設(shè)計(jì)，不同焊接參數(shù)對(duì)性能的影響研究等，完成了研發(fā)工作。從研制的產(chǎn)品CHE558HRN電焊條[8-9]來(lái)看，其焊接工藝性能優(yōu)良，焊接過(guò)程中電弧穩(wěn)定、飛濺小、成形美觀(guān)，能夠滿(mǎn)足全位置焊接操作需求，各項(xiàng)理化性能指標(biāo)滿(mǎn)足核島主設(shè)備反應(yīng)堆壓力容器的設(shè)計(jì)要求。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證國(guó)產(chǎn)核島主設(shè)備用焊材的可用性，對(duì)CHE558HRN和進(jìn)口焊材進(jìn)行了理化性能以及工藝性能量化評(píng)價(jià)，以更直觀(guān)的數(shù)字化描述替代以往的經(jīng)驗(yàn)判斷，從而更加科學(xué)的評(píng)價(jià)焊接材料工藝性能優(yōu)劣。

2.1 理化性能對(duì)比

采用反應(yīng)堆壓力容器用低合金鋼16MND5母材，按核電行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NB/T 20009.22—2015《壓水堆核電廠(chǎng)用焊接材料第22部分安全級(jí)設(shè)備用低合金鋼手工電弧焊焊條》標(biāo)準(zhǔn)[10]要求，對(duì)比進(jìn)口焊材制備熔敷金屬試板，焊條均采用4.0 mm規(guī)格，焊接電流160～170 A，平焊位，按標(biāo)準(zhǔn)取樣進(jìn)行理化性能對(duì)比如表1所示。

表1 國(guó)產(chǎn)焊條與進(jìn)口焊條理化性能對(duì)比Table 1 Comparison of physical and chemical properties between domestic and imported electrodes

從考核的力學(xué)性能指標(biāo)，如抗拉強(qiáng)度、延伸率、沖擊韌性數(shù)據(jù)來(lái)看，兩種焊條指標(biāo)均優(yōu)良，國(guó)產(chǎn)焊條在部分指標(biāo)上略有優(yōu)勢(shì)，特別是沖擊韌性方面有20～30 J優(yōu)勢(shì)，理化性能穩(wěn)定可靠，完全滿(mǎn)足設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求。

2.2 脫渣性對(duì)比

焊條脫渣性的好壞決定了焊接過(guò)程中焊渣清理的工作量，脫渣性能越好，焊接完成后熔渣能自行翹起或脫落，降低夾渣缺陷的產(chǎn)生。脫渣性的測(cè)試按標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法，用相同的焊接參數(shù)制備尺寸、厚度相同的試板，國(guó)產(chǎn)焊條與進(jìn)口焊條脫渣性測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2 國(guó)產(chǎn)焊條與進(jìn)口焊條脫渣性對(duì)比Table 2 Comparison of deslagging properties between domestic and imported electrodes

總體來(lái)看，兩種焊條脫渣率基本相當(dāng)，對(duì)比國(guó)產(chǎn)焊材，進(jìn)口焊材未脫渣長(zhǎng)度要略短，嚴(yán)重粘渣長(zhǎng)度和輕微黏渣長(zhǎng)度略長(zhǎng)。在實(shí)際操作中，國(guó)產(chǎn)焊材未脫渣部分經(jīng)過(guò)手動(dòng)清理可較為輕松地清除干凈，而進(jìn)口焊材的黏渣嚴(yán)重部分手動(dòng)清理較為困難，尤其是深坡口內(nèi)造成夾渣，影響焊縫質(zhì)量。

2.3 飛濺率對(duì)比

焊條的飛濺率大小不僅影響焊接效率，同時(shí)還會(huì)對(duì)焊縫質(zhì)量造成影響。國(guó)產(chǎn)和進(jìn)口焊材的飛濺物如圖1、圖2所示，數(shù)據(jù)對(duì)比如表3所示。

圖1 大西洋焊材飛濺物Fig.1 Atlantic welding splash

圖2 進(jìn)口焊材飛濺物Fig.2 Imported welding material splash material

表3 國(guó)產(chǎn)焊條與進(jìn)口焊條飛濺率對(duì)比Table 3 Comparison of spatter rate between domestic and imported electrodes

經(jīng)過(guò)多次測(cè)試驗(yàn)證，從清掃出的飛濺物質(zhì)量來(lái)看，兩種焊材的飛濺率基本相當(dāng)，都在1.5%～1.9%之間，飛濺率都很低，滿(mǎn)足生產(chǎn)需要。

2.4 焊縫尺寸對(duì)比

打磨去除鐵銹的鋼板，采用φ4.0 mm焊條、電流170 A，在鋼板表面焊接一根焊條長(zhǎng)度的焊縫，冷卻除渣后，用焊縫檢驗(yàn)尺測(cè)量焊縫尺寸。兩種焊條焊接的焊縫檢測(cè)過(guò)程及數(shù)據(jù)如圖3、圖4和表4所示。

圖3 焊縫尺寸（大西洋焊材）Fig.3 Weld dimensions（Atlantic welding material）

圖4 焊縫尺寸（進(jìn)口焊材）Fig.4 Weld dimension（imported welding material）

表4 國(guó)產(chǎn)焊條與進(jìn)口焊條焊縫尺寸對(duì)比Table 4 Comparison of weld size between domestic and imported electrodes

通過(guò)全焊縫的數(shù)據(jù)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，國(guó)產(chǎn)焊材和進(jìn)口焊材在焊縫成形上有一定區(qū)別，一般來(lái)說(shuō)，熔深大的焊材更適合焊接厚板，焊接線(xiàn)能量不宜過(guò)大，焊縫高度高、熔深淺的更適合焊接薄板，焊接線(xiàn)能量可以適當(dāng)放大，對(duì)提高焊接效率更有優(yōu)勢(shì)。

國(guó)產(chǎn)焊材和進(jìn)口焊材通過(guò)執(zhí)行GB/T 25776—2010《焊接材料焊接工藝性能評(píng)定方法》進(jìn)行了工藝指標(biāo)定量化評(píng)價(jià)研究，綜合來(lái)看，國(guó)產(chǎn)焊材的工藝性能已經(jīng)有較大進(jìn)步，與進(jìn)口焊材達(dá)到同一水平。

3 結(jié)論

（1）研制的低合金鋼手工電焊條滿(mǎn)足國(guó)產(chǎn)核電堆型“華龍一號(hào)”反應(yīng)堆壓力容器焊接需求，理化性能與進(jìn)口同類(lèi)產(chǎn)品相當(dāng)。

（2）研究了手工電焊條對(duì)焊接過(guò)程影響的主要工藝性能指標(biāo)，對(duì)主要工藝性能指標(biāo)按標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行量化評(píng)價(jià)，驗(yàn)證了量化評(píng)價(jià)方法的適應(yīng)性。工藝量化相應(yīng)測(cè)試試驗(yàn)可以用于手工電焊條的評(píng)價(jià)，以定量的方式對(duì)焊接材料工藝性能（電弧穩(wěn)定性、脫渣性、成型外觀(guān)等）進(jìn)行評(píng)價(jià)。

（3）焊條的焊接性能受焊工的操作技能影響較大，尤其是對(duì)焊縫尺寸的影響，后續(xù)可考慮研制自動(dòng)焊接裝置，減少人為因素的影響。