核電廠水下TIG焊炬設計及焊接工藝研究

周國豐，張清華，張紅，孫清潔，王曉磊

1.中廣核研究院有限公司，廣東 深圳 518000

2.哈爾濱工業(yè)大學（威海） 特種焊接技術省重點實驗室，山東 威海 264209

0 引言

近年來，國家核電發(fā)展取得了舉世矚目的成就。為了減小輻射，許多設備需要在水下進行更換和修復。核電水下焊接的主要問題是如何實現(xiàn)自動化焊接，以獲得清潔、平整、質(zhì)量可靠的焊縫［1］。目前，水下焊接主要集中在局部干法焊接上，因為它兼具濕法焊接和干法焊接的優(yōu)點。局部干法焊接具有良好的焊縫成形、簡單的設備要求、低成本和高度自動化等特點，是核電部件水下焊接的首選方法［2］。而排水罩是水下局部干法焊接中不可或缺的重要組成部分，其排水能力直接影響水下局部干法焊接焊縫的質(zhì)量［3］。根據(jù)試驗需求，郭寧等人［4］自行設計了一種局部干法雙層水下激光排水罩，通過優(yōu)化工藝，獲得了質(zhì)量較高的焊縫。沈相星等人［5］研制了一種帶預熱功能的水下局部干法焊接專用排水罩，通過在主觀察口安裝可搖動的觀察筒解決了觀察困難問題。雖然固定式排水罩的接頭抗拉強度低于摩擦柱塞焊接和濕法焊接，但固定式排水罩的接頭沖擊吸收功最高。馬兆炫等人［6］自行研制了一把可移動氣室水下TIG焊槍，使電弧能夠在水下穩(wěn)定燃燒，并獲得高質(zhì)量的焊縫。通過水陸對比，發(fā)現(xiàn)水冷使得鈦合金的奧氏體由針狀轉(zhuǎn)變?yōu)榱睿Ы甾D(zhuǎn)變?yōu)榫?nèi)析出，且晶粒更細化。古志明等人［7］介紹了一種同軸式水下局部干法TIG焊接裝置，該裝置便于觀察電弧形態(tài)和熔池狀態(tài)，能夠?qū)崟r觀察焊接過程。梅福欣等人［8］采用金屬絲屏蔽罩局部干法TIG焊接，實現(xiàn)了自動化，并且設備簡單、操作方便，可焊接不同坡口和不同位置，焊接過程穩(wěn)定，焊縫美觀。王中輝等人［9］在水下高壓環(huán)境下進行了TIG干法全位置焊，研究了氣氛壓力對焊縫成形的影響。TAKESHI等人［10］對水下TIG焊接工藝進行探索，證實了水下TIG焊接可以獲得與陸上焊接相同質(zhì)量的可靠性。本文主要研究核電廠水下定位銷的焊接，采用自行設計的焊炬進行了一系列工藝研究。

1 試驗材料與方法

試驗母材為Z2CN19-10不銹鋼，化學成分（質(zhì)量分數(shù)，%）為：0.035C，2.0Mn，1.0Si，0.015S，0.03P，9.35Ni，19.21Cr，1.0Cu，0.08N，0.1Co，微量B。試板尺寸為100 mm×100 mm×8 mm。本次試驗在水箱中進行，采用不填絲TIG自熔焊方法。焊接電源型號為松下YC-200BL3焊機。如圖1a所示，針對定位銷的尺寸，自行設計水下TIG焊炬，采用鎢極繞焊槍中心自轉(zhuǎn)的方式，只需找正焊炬位置便可完成整個焊接過程。焊炬長為220 mm，直徑為48 mm，鎢極旋轉(zhuǎn)直徑為23 mm。如圖1b所示，焊炬上方有4個防水格蘭頭，用于通過線纜并防止焊炬進水。圖1c為焊炬外層保護罩，材料為聚四氟乙烯，起到絕緣和防水的作用。焊炬整體實物圖如圖1d所示。

圖1 水下TIG焊炬示意Fig.1 Schematic diagram of the underwater TIG welding torch

采用機械打磨方法去除待焊試板表面氧化膜，然后使用酒精清洗去除油污等雜質(zhì)。采用單因素控制方法進行工藝研究，焊接電流、焊接速度和水深為變量。完成焊接后，通過線切割方式獲取試樣，并經(jīng)過鑲樣、研磨、拋光和腐蝕處理后觀察焊接接頭的橫截面形貌。

2 ANSYS流體模擬

局部干法排水罩設計的關鍵在于排水罩內(nèi)部合適的進氣口位置、角度和數(shù)量。進氣口位置的選取會影響內(nèi)部流場分布。因此，建議將進氣口位置選擇在排水罩正上方，垂直向下進氣，使氣體自上向下流動，進行排水，減少產(chǎn)生的回流。此外，通過調(diào)整進氣口的數(shù)量和位置，還可進一步優(yōu)化設計。

通過單口進氣流體力學仿真模擬發(fā)現(xiàn)，在排水罩出口處，部分氣體出現(xiàn)回流現(xiàn)象，無法滿足試驗需求。因此，設計了4個對稱的進氣口來優(yōu)化，以防止流場中的氣體回流。因此，整個焊炬由內(nèi)外兩層氣路構(gòu)成。內(nèi)層氣體通過鎢極外的陶瓷噴嘴流出，主要保護焊接區(qū)域。外層氣體通過4個對稱的進氣口排出焊接區(qū)域內(nèi)的水。

將焊炬模型簡化為中間帶有氣路的圓柱體。在ANSYS中設置焊炬整體高度為220 mm，直徑為48 mm。4個外層進氣口的直徑均為3 mm。氣體垂直向下進入排水罩進行排氣。焊炬的最下端設置類似于焊槍的結(jié)構(gòu)，鎢極與待焊工件之間的距離為2 mm。環(huán)境壓力為0.15 MPa。所有進氣口的進氣速度均為15 L/min。

整個排水罩排水試驗過程如圖2所示。紅色表示氣體，藍色表示水。在4個直徑為3 mm的進氣口中通入進氣速度為15 L/min的氣體后，排水罩內(nèi)部的水逐漸由上至下排出。觀察排水罩與待焊工件之間的縫隙，發(fā)現(xiàn)大部分水被排出，只有少量水漬殘留?？赡苁菤鍤馀c水之間的界面不清，仿真模型認為兩種介質(zhì)相互混合，也可能是液體表面張力、粘性系數(shù)等因素的影響。在進行仿真時可以考慮表面張力、粘度系數(shù)等因素，進一步優(yōu)化模型。

圖2 排水罩排水仿真模擬試驗過程流體狀態(tài)Fig.2 Fluid status of drainage cover drainage simulation test process

排水罩排水仿真模擬試驗的排水效果如圖3所示。圖3a為排水罩排水仿真模擬的三維立體圖，圖3b為俯視圖。在三維立體圖中，排水罩的排水效果良好，幾乎沒有水漬殘留。觀察圖3b，根據(jù)圖中水體積分數(shù)等高線的排布，可以使用像素點提取出每個水體積分數(shù)等高線的面積占比。運用軟件Origin繪制出面積分數(shù)-殘余水量分數(shù)圖，如圖4所示。在水體積分數(shù)等高線為0～0.1之間時，殘余水量分數(shù)最大，達到100%；在水體積分數(shù)等高線為0.9～1之間時，殘余水量分數(shù)最小，為10%。通過將不同顏色的面積分數(shù)與殘余水量分數(shù)相乘并加和，可以計算出總的排水量。根據(jù)計算結(jié)果，排水罩中約70%的水被排干凈。為了進一步優(yōu)化設計，需要確保排水罩內(nèi)部水分全部排干，以獲得穩(wěn)定且干燥的氣相環(huán)境，從而提高水下局部干法TIG焊接的質(zhì)量。

圖3 排水罩排水仿真模擬試驗排水效果Fig.3 Drainage cover drainage simulation test drainage effect diagram

圖4 面積分數(shù)-殘余水量分數(shù)Fig.4 Area fraction-residual water volume fraction

3 水下TIG焊接工藝研究

3.1 焊接電流對焊縫成形的影響

焊接電流是決定焊縫熔深的主要因素。圖5分別展示了水深20 mm、焊接速度2 mm/s、焊接電流分別為30 A、40 A、50 A、60 A和70 A五種情況下的焊縫宏觀形貌和焊縫橫截面形貌。

圖5 不同電流下的焊縫成形Fig.5 Weld forming under different welding currents

如圖6所示，與陸上焊接規(guī)律相同，隨著焊接電流的增大，焊接線能量逐漸增大，焊縫熔深隨之增大。在水深、焊接速度等條件一定的情況下，焊接電流增大，熱輸入量增大，母材熔化量增多，弧柱直徑增大，因此熔寬也增大。

圖6 不同電流下的焊縫橫截面參數(shù)Fig.6 Weld cross section parameters at different currents

3.2 焊接速度對焊縫成形的影響

圖7展示了水深20 mm、焊接電流為60 A的情況下，焊接速度分別為1.5 mm/s、2 mm/s、2.5 mm/s、3 mm/s、3.5 mm/s時的焊縫宏觀成形和焊縫橫截面形貌?？梢杂^察到焊縫呈現(xiàn)出明顯的銀白色金屬光澤，成形良好。

圖7 不同焊速下的焊縫成形Fig.7 Weld forming under different welding speeds

不同焊速下的焊縫橫截面參數(shù)如圖8所示?？梢钥闯?，在水深、焊接電流等條件一定的情況下，焊縫的熔深和熔寬與焊接速度成反比。焊接速度直接決定電弧能量在母材上的作用時間，在焊接電流一定時，焊速越小，電弧作用在母材上時間越長，母材熱輸入越大，液態(tài)金屬在母材上的凝固速率越慢，導致其潤濕鋪展地越充分，從而使焊縫熔深和熔寬增加。

圖8 不同焊速下的焊縫橫截面參數(shù)Fig.8 Weld cross section parameters at different speeds

3.3 水深對焊縫成形的影響

水下局部干法TIG焊接會因水深的變化導致外部環(huán)境發(fā)生變化，進而影響焊縫的成形質(zhì)量。本次試驗對水深從0 mm到50 mm逐步進行研究。圖9展示了焊接電流為60 A，焊接速度為2 mm/s的情況下，水深分別為0 mm、20 mm、30 mm、40 mm、50 mm時的焊縫成形和焊縫橫截面形貌。

圖9 不同水深下的焊縫成形Fig.9 Weld forming under different depth of water

不同水深下的焊縫橫截面參數(shù)如圖10所示。相對于陸上焊接，入水后焊縫熔深降低。從水深為30 mm開始，熔深先增大，到50 mm時又逐漸減?。蝗蹖掚S水深的增大逐漸減小。分析其原因，可能是水的冷卻速度和低溫環(huán)境對電弧的熱壓縮交替作用引起的。隨著水深的增大，急速冷卻作用效果增強，電弧挺度提高，熱流集中，電弧指向性和抗干擾能力增強，所以熔深增大、熔寬減??；水深繼續(xù)增大，水的冷卻作用增大，更多的電弧熱量散失，使得作用在工件的熱輸入量減少，熔化的母材迅速凝固，從而導致熔深和熔寬減小。

圖10 不同水深下的焊縫橫截面參數(shù)Fig.10 Weld cross section parameters at different depth of water

3.4 水下TIG焊對接接頭力學性能測試

在水深為20 mm的環(huán)境下進行水下TIG焊對接試驗。采用分段焊的形式，整個圓由3段焊縫構(gòu)成。然后使用萬能試驗機進行力學性能試驗，壓頭以2 mm/min的速率向下擠壓，直至定位銷被壓出，并記錄最大力。如圖11、圖12所示，對接試驗在不同參數(shù)下形成了焊縫，焊縫均勻連續(xù)，無明顯缺陷，并且可以在水下進行多次起弧。這進一步驗證了此TIG焊炬在水下焊接方面的可行性。

圖11 不同焊速下的焊縫成形Fig.11 Weld formation at different welding speeds

圖12 不同電流下的焊縫成形Fig.12 Weld formation at different currents

力學性能測試結(jié)果如表1所示。由表可知，隨著焊接電流的升高，焊縫力學性能也隨之升高。同時，隨著焊接速度的提高，焊縫力學性能逐漸降低。這個結(jié)果與陸上焊接得到的規(guī)律基本相似。增大焊接電流和降低焊接速度可以顯著提升焊縫的熔深和熔寬，增大焊縫的有效連接面積，從而提高力學性能。

表1 水下TIG力學性能測試Table 1 Mechanical properties of underwater TIG welding

通過對比相同參數(shù)下陸上焊接與水下焊接的焊縫力學性能，可以看出相同參數(shù)下陸上和水下的力學性能相似，水下TIG焊接接頭的力學性能略高一些。分析認為，水下焊接可能會有水的侵入，導致焊縫缺陷，并且在高冷卻速度下，鐵素體無法完全轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，導致焊縫中奧氏體的含量降低，從而降低力學性能。然而，高冷卻速度也可以使晶粒細化，在一定程度上提升焊縫的力學性能。

4 結(jié)論

（1）采用自行設計的焊炬驗證了局部干法水下TIG焊接的可行性，水下TIG焊接的熔深、熔寬隨焊接電流、焊接速度的變化趨勢與陸上焊接得到的規(guī)律相同。

（2）水下TIG焊接時，熔深、熔寬的變化可能是由水的冷卻速度和低溫環(huán)境對電弧的熱壓縮交替作用引起的。

（3）在水下焊接過程中熔化金屬冷卻速度快，晶粒會得到不同程度的細化，強度會有所提升，可能使水下焊縫強度略高于陸上。