窄间隙埋弧焊在核容器制造中的应用

窄间隙埋弧焊在核容器制造中的应用 张德林 （国营五二四厂， 陕西 ７１００２１） 窄间隙埋弧焊是厚板焊接的一项先进技术。采用该技术可大量减少焊接填充量，因 而节省大量焊材和工时，同时可获得更高质量的焊接接头。利用国产材料和元器件研制成功 了性能优良的窄间隙埋弧焊焊头，并将其应用到了核一级设备—稳压器的焊接，取得了良好效果。 窄间隙；埋弧焊；核容器 ＺＨＡＮＧ Ｄｅｌｉｎ １ 概述 窄间隙焊接是厚板焊接领域的一项先进技术。与普通坡口的埋弧焊相比，窄间隙焊具有 无可比拟的优越性。如坡口窄、焊缝金属填充量少，可以节省大量的焊材和焊接工时；由于 窄间隙焊时热输入量较低，使焊缝金属和热影响区的组织明显细化，从而提高其力学性能， 特别是塑性和韧性。 然而要在深入母材很窄的坡口中实现无缺陷的焊接，难度是很大的。 除了精确制备工件坡口以外，还要从焊接方法、焊接设备、焊缝跟踪、工艺措施等方面解决 一系列难题。经焊接界多年努力，窄间隙焊已发展了多种气体保护焊方法和埋弧焊方法，在 各方面取得了实际应用。窄间隙气体保护焊与窄间隙埋弧焊相比，虽然前者间隙更窄、效率 更高，但在电弧的稳定性、气体保护的有效性和电弧对磁场的敏感性等方面都可能出现问题， 而且由于间隙更窄，一旦出现问题返修更为困难。因而对于要求绝对可靠的大型核能容器来 说，一般均选择后者而不选择前者。近年来我们在窄间隙埋弧焊方面作了一定的工作，本文 对窄间隙埋弧焊机头研制及窄间隙埋弧焊在核能容器中的应用情况作一介绍。 ２ 窄间隙埋弧焊机头的研制 为了实现厚板的窄间隙埋弧焊接，首先必须具备窄间隙埋弧焊设备。我厂于1985年进口 的瑞典ＥＳＡＢ公司ＥＨＤ焊机，设计为可进行窄间隙埋弧焊接。但由于窄间隙埋弧焊机头 价格昂贵，没有附带进口。 ２．１ 机头的 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 及结构设计 窄间隙埋弧焊接时，可进行每层一道、每层两道或每层三道焊接。其中每层一道的焊接 虽然效率较高，但易引起侧壁熔合不良、夹渣、焊缝成型系数过小(易引起结晶裂纹)、脱渣 不易等问题，在窄间隙埋弧焊接中很少应用。而每层三道则由于坡口的加宽而降低了效率。 因此，每层两道的焊接得到了普遍应用。 在每层两道的窄间隙埋弧焊接中，为了保证坡口侧壁的良好熔合而不出现夹渣等焊接缺 陷，在每一个焊道焊接时，焊丝端头必须偏向各自接近的坡口侧壁。为了实现这一点，目前 流行的大致有两种方案，见图1。 图中方案ａ为导电嘴偏摆型，即导电嘴与电杆之间有一活动关节，在焊完一侧焊道后设 法使它摆而偏向另一侧，导电杆始终处于坡口间隙的中心位置。方案ｂ为导电嘴旋转型，即 导电嘴本身有一定弯度，每焊完一道后导电杆带着导电嘴一起旋转一定角度，这样焊丝端头 亦会由坡口一侧偏向另一侧。 这两种方案各有优缺点，经过分析对比，我们选择了ａ型方案。这是因为：一、该方案 导电部分可有较大宽度，承载能力较高，可使用较粗的焊丝(可用Φ４ｍｍ，而方案ｂ只能用Φ３ｍｍ)，可焊接的坡口深度较大；二、该方案与ＥＳＡＢ公司焊头相同，可以利用Ｅ ＳＡＢ公司其它焊头的某些部件及原有控制线路，便于与原ＥＨＤ焊机配合。 基于上述第二点同样的理由，接头自动跟踪装置设计为机械传感?光电转换、讯号放大?十字滑板执行的结构。做到了能与原有ＥＨＤ设备配套使用，达到了在垂直和水平两个方 向的自动跟踪。 总之，我们设计的窄间隙埋弧焊机头主要参照了ＥＳＡＢ公司焊头的结构，但做了以下 几方面的改进： 1)焊嘴部分的主体材料采用了既有良好机械性能、耐磨性又有良好的导电性能的铬锆铜而 不是采用不锈钢，因而既有足够的强度、刚度，工作过程也较为稳定。 2)导电嘴的摆直接采用气缸驱动而不是气——液转换驱动，因而结构更为简单可靠。 3)导电部分的外表面采用了陶瓷喷涂而不是涂涂料，绝缘性良好且不易剥落。 4)增加了焊嘴垂直度调整机构，可保证焊头在焊接纵缝和环缝两种位置都能与工件保持垂 直。 5)缩小了各附助部分的尺寸、减轻了重量，以便于与２００×２００ｍｍ２的小型十字滑板配合使用。 整个焊头由具有可摆导电嘴的焊嘴、自动跟踪装置、送丝机构、焊丝校直机构、摆驱动 装置、焊剂撒放及回收装置、支架等部分组成。 ２．２ 焊头的技术性能指标 经设计研制成功的焊头，可以与ＥＳＡＢ公司的ＥＨＤ焊机配套使用(也可与其它焊机配套使用)。其性能指标如下： 1)可伸入３５０ｍｍ深窄间隙坡口中焊接； 2)窄间隙坡口的尺寸：根部宽１８～２４ｍｍ，坡口角度１～３?； 3)可对坡口进行垂直和水平两个方向自动跟踪，跟踪精度?０．３ｍｍ； 4)适用焊丝Φ３mm～Φ４ｍｍ； 5)每层两个焊道，焊环缝时在每一焊道完成后，能自动转换到另一焊道连续焊接，直至整 个焊缝焊完； 6)可在工件焊剂予热状态下连续工作。 ２．３ 焊头试焊考核 焊头试制成后进行了一系列实际焊接考核试验。 ２．３．１ 直缝焊接考核 试板：１６ＭｎＲ，１０００×２５０×１００。 坡口：见图2。 焊材：Ｈ１０Ｍｎ２，Φ４。 焊剂：ＳＪ１０１。 焊接规范：Ｉ＝５００～５５０Ａ，Ｕ＝２７～３０Ｖ，Ｖ＝２１～２８ｍ／ｈ。 试板焊后刨除垫板，按ＲＣＣ－ＭＳ７７１０要求进行超声探伤，未发现任何超标缺陷。 试板解剖后进行了金相宏观检查， 证明 住所证明下载场所使用证明下载诊断证明下载住所证明下载爱问住所证明下载爱问 焊道与母材、焊道与焊道间熔合良好，无任何宏观缺 陷。 ２．３．２ 环缝焊接考核 利用某铸锻厂锤头修复工作，进行了自制窄间隙埋弧焊焊头焊接环缝的考核试验。 线材：ＺＧ２０，Φ１２７０，δ＝１７０ｍｍ。 坡口：底部宽２０ｍｍ，角度３?底部带永久垫板。 焊材及焊接规范同直缝试板，焊前予热?１００?。该焊缝共两条，焊接过程稳定顺利， 焊后经ＵＴ检查完全合格。 焊头考核试验完成后，1998年7月，工厂组织国内有关专家进行了评审，评审组认为“该机头具备了国内外同类焊接机头的功能，可以用于大型厚壁压力容器(如核容器、加氢反应器等)的窄间隙埋弧焊接”。 ３ 窄间隙埋弧焊在核容器制造中的应用 某核电工程稳定器为核一级设备，属锻焊结构的大型压力容器。整个容器由上下封头、 三节筒体五大锻件组焊而成。主体焊缝为四条Φ２ｍ，厚度１１５ｍｍ的环焊缝，要求采用 窄间隙埋弧焊接。容器主体材料为法国核容器专用钢种１６ＭＮＤ５（相当于Ａ５０８－?）锰镍相低合金钢。 为了焊接该容器，在对１６ＭＮＤ５的焊接性进行了充分试验及其它工艺试验的基楚上， 进行了窄间隙埋弧焊的焊接工艺评定。评定用１６ＭＮＤ５锻件尺寸为１５００×２５０×１１５，两块对接。锻件为正火+回火状态，其化学成分及机械性能见表１和表２。表1 工艺评定锻件的化学成分(%) 元Ｃ Ｓｉ Ｍｎ Ｐ Ｓ Ｃｒ Ｎｉ Ｍｏ 素 规?０．２０．１０～１．１５～?０．０?０．０?０．２０．５～０．４５～定 ０ ０．３０ １．５５ １２ １２ ５ ０．８０ ０．５５ 钢０．０００．０００．１９ ０．１８ １．３４ ０．０３ ０．７３ ０．５１ 水 ６ ３ 元Ｖ Ｃｕ Ａｌ Ａｓ Ｓｎ Ｓｂ Ｃｏ Ｂ 素 规?０．０?０．０?０．０?０．０?０．１ ?０．０４ ?０．０８ 定 １ １０ １０ ０５ 钢０．０００．０００．０００．０００．００００．０４ ０．００８ ０．０２ 水 ４ ９ ６ ５ １ 表2 工艺评定锻件的机械性能 常温拉伸 ３６０?拉伸 ０?冲击 －２０?冲击 项σσｂ目 ｂ１１Ｍδ５１σ ０．２δ５σ０．２吸收侧膨胀吸收侧膨胀ΨΨＭＰ１１ＰＭＰａ ％ １％ ＭＰａ ％ １％ 功Ｊ 量ｍｍ 功Ｊ 量ｍｍ １ａ ａ 平均平均５５?５?７?５要２－?２提供提供提供?４００ ?３００ ２２最６最 求 ６７０ 数据 数据 数据 ０ 小５小４０ ６ ０ ５１５１０６１４６５ ２６ ７２ ４０５ ８２６ ７４ ０ ８ ５ １．９１ １．４２ ５ １７１１实２．０６ １．４７ ２ １ 测 ５６１１．８８ １．９０ ４６０ ２７ ７４ ４１０ ６２１ ７６ １４１４０ ５ ５ ４ ＮＤＴ ＲＴ要?０? 若处于０?～１２?之间，应测出实际值 求 实ＲＴ＝-１０? ＮＤＴ测 窄间隙埋弧焊坡口见图3 试验结果证明：坡口底部宽度可在１８～２４ ｍｍ变动，但以２０ｍｍ宽较为适宜，过 窄不便于操作且易生缺陷；过宽则大幅度增加焊接填充量，使得窄间隙焊的优点不能充分发 挥；坡口角度一般为１～３?，这主要是为了补偿焊接过程中焊缝的收缩，使得焊缝整个截 面上下宽窄基本一致。对于厚度在１００ ｍｍ左右的接头来说，坡口角度取３?，单边１．５?即可。更大厚度接头的坡口角度适当减少，以防止坡口表面过宽。 焊接材料选用了北京钢铁研究总院研制的Ｈ１０Ｍｎ２ＮｉＭｏＡ焊丝，配６０３ ＨＲ焊剂。该焊材组合是专门为核一级设备研制的，属国家“八五”科技攻关项目之一，已经通过 了国家有关部门的鉴定。 通过试验，在工艺评定中采用的焊接规范参数如下：焊丝直径Φ４ ｍｍ，Ｉ＝５００～５５０Ａ，Ｕ＝２７～２９ Ｖ，ｖ＝２４～２８ ｍ／ｈ。焊前预热１５０ ?，焊接过程中温度维持在１５０～２５０ ?，焊后经最大模拟消除应力热处理（６１５×１５Ｈ），并 经各种无损检查(ＭＴ、ＰＴ、ＵＴ)完全合格。焊接工艺评定试板经全面解剖，焊接接头的 力学性能试验结果见表３、表４、表５。焊缝金属的化学成分见表6。 表3 １６ＭＮＤ５窄间隙埋弧焊接头拉伸性能 试样类试验温取样位置 σ型 度? ＭＰＡδσ０．２Ψ％ 备注 ＭＰａ ｂａ ５％ ｒ％ 接头拉６２６，６４矩形截全厚度 室温 伸 ７ 面 接头拉１／４厚处 ３６０ ５２０ ４１５ 园截面 伸 ７１／４厚处 室温 ５９４ ５１１ ２７ 园截面 ６ 熔敷金 ７焊缝根部 室温 ５６６ ４８４ ２７ 园截面 ８ 属拉伸 １／２厚处０．０３６０ ５２５ ４１５ ２３ 园截面 ３５ 注：Ａｒ为在 规定 关于下班后关闭电源的规定党章中关于入党时间的规定公务员考核规定下载规定办法文件下载宁波关于闷顶的规定 的σ０．２限值下保载五分钟的残余伸长量。 表4 １６ ＭＮＤ５窄间隙埋弧焊接头弯曲性能 试验类型 试样厚度ｍｍ 弯轴直经ｍｍ 弯曲角度 试验结果 面弯 ３０ １２０ １８０，１８０ 完好 背弯 ３０ １２０ １８０，１８０ 完好 侧弯 １０ ４０ １８０，１８０ 完好 以上所有试验结果均满足法国核电规范ＲＣＣ－Ｍ及工程专用技术条件的要求。与表2数据相比，焊接接头的性能增多不低于母材，特别是焊缝及热影响区的冲击韧性均比母材高， 这充分体现了窄间隙焊的巨大优越性。 由于焊接试验及工艺评定工作深入细致，产品焊缝的焊接非常顺利。四条主环焊缝焊后 消应力处理后，经各种无损检测全部合格。在焊接产品的同时还按照要求焊接了一个与产品 实际尺寸一致的焊接见证环，焊后经过与产品完全一致的热处理和无损检测，最后解剖进行 了各种性能试验。其结果与焊接工艺评定完全一致，满足了产品要求，达到了预期效果。 表5 １６ＭＮＤ５窄间隙埋弧焊接头韧性 ＮＤ缺口类试验温ＲＴＴ缺口位置 取样层次 吸收功Ｊ 型 度 １９１，１９４，１８表层 Ｖ ０? ９ １／４厚２０８， ２１１， ２－６焊缝中心 Ｖ ０? 度处 ０４ ５? １９７， １８２， ２接头根部 Ｖ ０? ０４ １７３， １９９， １表层 Ｖ ０? ６２ 距熔合线０．８１ ｍｍ热－６影响区 ０? １／４厚１７８， ２１０， １Ｖ ０? 度处 ９２ １９１， １６４， １表层 Ｖ ０? 距熔合线４１ ｍｍ热影响７３ 区 １／４厚Ｖ ０? １２０， １５０， １ 度处 ２５ １４３， １１９， １表层 Ｖ ０? ３６ 母材 １／４厚１２１， １４０， １Ｖ ０? 度处 ５５ 表6 １６ＭＮＤ５窄间隙埋弧焊焊缝金属化学成分 元Ｃ Ｓ Ｓｉ Ｐ Ｍｎ Ｃｒ Ｎｉ Ａｌ Ｍｏ 素 含０．０００．００１．４０．０４０．４０．０７ ０．２３ ０．５６ ０．０２ 量 ７ ８ １ ３ １ 元Ｓｂ Ｓｎ Ａｓ Ｖ Ｃｏ Ｎ Ｂ Ｏ Ｃｕ 素 含０．０００．０００．０００．００．０００．０００．０４０．００．０１ 量 ０１７ ０５７ ２３ １ ９ ０４ ５ １ ４ 结束语 窄间隙焊接这一先进技术在我国虽有应用，但还很不普及，原因之一就是缺乏必要的设 备。我们在窄间隙埋弧焊焊头的研制及其实际应用方面，做了一定的工作，取得了好的效果。 特别是自力更生，采用国产材料及元器件研制成了性能优良的窄间隙埋弧焊焊头，为窄间隙 埋弧焊的推广应用开辟了一条新路。我们所研制的核一级设备稳压器也于1999年7月通过了业主和有关部门的验收。当然在窄间隙焊接的应用方面，还有很多工作要做，我们愿与国 内焊接界的同仁共同努力，促进这一先进技术的广泛应用。 ［１］核能机器的焊接技术，石川岛播磨重工业株式会社，８５．１０. ［２］厚壁构件的窄间隙埋弧焊，杨文惠译，《国外焊接》，８３．３. ［３］Ｓｕｂｍｅｒｇｅｄ Ａｒｃ Ｎａｒｒｏｗ Ｇａｐ Ｗｅｌｄｉｎｇ－ＥＳＡＢ ’Ｓ Ｌａｔｅｓｔ， Ｂｙ Ｎ．Ｅｇｅｍａｎ.