何芬， 王大勇， 劉友東

(東方汽輪機(jī)有限公司， 四川 德陽(yáng)， 618000 )

1 引言

核電汽輪機(jī)閥門工作溫度低于300 ℃, 工作氛圍為飽和蒸汽, 含有約0.5%的水分[1],易產(chǎn)生水蝕, 因此在閥門密封面堆焊奧氏體類不銹鋼來防水蝕。 公司該類產(chǎn)品結(jié)構(gòu)如圖1 所示, 主汽閥和調(diào)節(jié)閥組對(duì)焊接完成后再采用手工電弧焊或手工鎢極氬弧焊進(jìn)行密封面堆焊, 存在以下問題：

（1）堆焊時(shí)操作工人需鉆進(jìn)閥殼內(nèi)部進(jìn)行施焊,施工環(huán)境惡劣, 操作不便, 危險(xiǎn)系數(shù)高。

（2）工作量大,焊接質(zhì)量容易受人為因素影響。

（3）有一個(gè)面需進(jìn)行全位置焊接, 而焊接材料為ER309L 焊絲, 流動(dòng)性非常好, 焊接質(zhì)量很難保證。

因此, 有必要進(jìn)行閥門密封面自動(dòng)堆焊工藝研究。 目前為止, 已經(jīng)有很多人對(duì)多種結(jié)構(gòu)和材料的自動(dòng)堆焊工藝進(jìn)行研究和分析[2-9],但是閥門密封面自動(dòng)堆焊工藝方面的研究還很欠缺。

本文在分析閥門密封面堆焊結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)、 選用了專門自動(dòng)堆焊設(shè)備, 進(jìn)行了工藝評(píng)定試驗(yàn), 得到了可行的自動(dòng)堆焊工藝方案。

圖1 核電閥門示意圖（圈示部位為堆焊區(qū)）

2 試驗(yàn)材料

核電閥門材料為G20Mo5, 屬于低合金鑄鋼,其化學(xué)成分及機(jī)械性能指標(biāo)與16Mn 接近, 見表1～2。 根據(jù)ISO/TR 15608： Welding - Guidelines for a metallic materials grouping system 中對(duì)材料的分組原則, 本試驗(yàn)選用16Mn 代替G20Mo5 進(jìn)行了試驗(yàn)。

表1 G20Mo5 與16Mn 化學(xué)成分對(duì)比 wt.%

表2 G20Mo5 與16Mn 機(jī)械性能對(duì)比

焊接材料為METRODE 公司AWS ER309L 盤 狀實(shí)芯焊絲, 直徑為Φ1.2, 其化學(xué)成分見表3。

表3 ER309L 化學(xué)成分[3]wt.%

3 試驗(yàn)方案

3.1 焊接設(shè)備

奧氏體類焊材熔池流動(dòng)性很好, 為便于操作和保證堆焊質(zhì)量, 焊接時(shí)盡可能使焊縫處于平焊位。 自動(dòng)堆焊時(shí)閥門密封面堆焊結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)如下：

（1）主汽閥和調(diào)節(jié)閥組堆焊后高度約為4 m,而且核電閥殼為非對(duì)稱結(jié)構(gòu), 穩(wěn)定性較差。 如果采用閥殼旋轉(zhuǎn)的方式實(shí)現(xiàn)自動(dòng)焊接, 對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)的支撐、 旋轉(zhuǎn)要求程度非常高, 并且閥殼旋轉(zhuǎn)時(shí)比較危險(xiǎn)。

（2）焊縫處于閥殼腔室內(nèi)較深的位置。

（3）焊槍活動(dòng)空間較小, 觀察焊接過程不方便。

（4）焊縫為圓環(huán)形焊縫, 位置較高, 手動(dòng)找正不方便。

核電閥門密封面自動(dòng)堆焊設(shè)備及方案如圖2所示。

圖2 核電閥門密封面自動(dòng)堆焊設(shè)備及方案示意圖

采用自動(dòng)焊設(shè)備和方案解決了核電閥門對(duì)焊的問題：

（1）設(shè)備采用閥不動(dòng), 焊槍旋轉(zhuǎn)的方案解決平焊位時(shí)閥門不穩(wěn)定的問題。

（2）采用機(jī)頭伸出長(zhǎng)管, 焊槍固定在長(zhǎng)管端部的方案解決焊縫處于閥殼腔室內(nèi)較深的位置的問題, 此長(zhǎng)管剛性很好, 保證焊槍穩(wěn)定性的同時(shí)保證焊接過程的穩(wěn)定性。

（3）長(zhǎng)管在滿足剛性的前提下盡量細(xì)以保證焊槍的活動(dòng)范圍和利于觀察焊接過程。

（4）焊接之前可通過堆焊面上的三點(diǎn)自動(dòng)找正。

為了完成焊接過程, 該設(shè)備還可以實(shí)現(xiàn)以下功能：

（1）焊接開始之前橫梁按箭頭所示做水平和豎直運(yùn)動(dòng), 機(jī)頭在橫梁上按箭頭方向做水平運(yùn)動(dòng),確定合適的焊槍初始位置。

3.2 試驗(yàn)方案

用試板堆焊工藝評(píng)定試驗(yàn)和模擬產(chǎn)品堆焊驗(yàn)證自動(dòng)堆焊工藝方案的可行性及對(duì)公司產(chǎn)品的適應(yīng)性。 據(jù)實(shí)際情況認(rèn)為氬弧焊質(zhì)量比較高且較為穩(wěn)定, 因此試驗(yàn)采用氬弧焊填絲的方法進(jìn)行焊接。

3.2.1 工藝評(píng)定試驗(yàn)

按照ISO 15614-7 金屬材料焊接工藝規(guī)范和評(píng)定進(jìn)行焊接工藝評(píng)定, 試板尺寸為δ40 mm×200 mm×400 mm, 堆焊尺寸200 mm×150 mm×25 mm。試板焊后按熱處理和不熱處理分別進(jìn)行評(píng)定, 以驗(yàn)證是否需要熱處理, 熱處理工藝如圖3 所示。

圖3 試板熱處理工藝

工藝評(píng)定內(nèi)容及所依據(jù)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)見表4。

表4 工藝評(píng)定內(nèi)容及所依據(jù)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

3.2.2 模擬產(chǎn)品試驗(yàn)

從圖1 可以看出, 核電閥殼主要是進(jìn)行內(nèi)圓堆焊, 其他產(chǎn)品可能需要對(duì)外圓進(jìn)行堆焊, 因此模擬了內(nèi)外圓同時(shí)需要堆焊的情況, 如圖4 所示。模擬件尺寸按產(chǎn)品規(guī)格進(jìn)行簡(jiǎn)化處理, 如圖5 所示, 焊后對(duì)模擬件焊縫按DW804A5123A-2006 進(jìn)行PT 檢驗(yàn), 要求無缺陷。

圖4 模擬件堆焊示意圖（深色區(qū)域?yàn)槎押负缚p）

圖5 模擬件尺寸/mm

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1 工藝評(píng)定試驗(yàn)

按表5 所示試驗(yàn)參數(shù)焊接了兩塊試板, 其中一塊進(jìn)行熱處理, 另一塊不熱處理, 按表4 內(nèi)容進(jìn)行評(píng)定。

表5 工藝評(píng)定試驗(yàn)參數(shù)

4.1.1 熱處理工藝評(píng)定

布病性附睪、睪丸炎影像學(xué)提示單側(cè)或雙側(cè)睪丸、附睪炎癥，排除由其他病原感染、外傷或腫瘤等原因引起的附睪炎或睪丸炎，可診斷該病。

圖6 為熱處理之前的試板堆焊照片, 目視檢查不存在未熔合、 未焊透、 夾渣、 裂紋等缺陷,符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖6 熱處理之前試板堆焊照片

熱處理之后進(jìn)行滲透檢驗(yàn)、 超聲波檢驗(yàn)、 宏觀金相試驗(yàn)、 維氏硬度（HV10）試驗(yàn), 化學(xué)成分分析和δ 鐵素體含量測(cè)定, 結(jié)果如下：

（1）滲透檢測(cè)結(jié)果為未見超標(biāo)缺陷顯示, 符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

（2）超聲波檢測(cè)結(jié)果為未見超標(biāo)脈沖反射信號(hào)顯示, 符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

（3）宏觀金相試驗(yàn)結(jié)果如圖7 所示, 無宏觀可見裂紋、 未焊透、 未熔合和母材結(jié)合不良的缺陷,也不存在＞2 mm 的單個(gè)氣孔, 符合ISO 15614-7標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖7 熱處理試件宏觀金相

（4）按圖8 進(jìn)行維氏硬度（HV10）試驗(yàn)取點(diǎn),硬度分布情況如圖9 所示。 從圖中可以看出： 硬度分布規(guī)律為熱影響區(qū)最高, 焊肉區(qū)次之, 母材最低, 最高硬度為218, 小于ISO 15614-7 標(biāo)準(zhǔn)中的最大值380, 滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖8 維式硬度取點(diǎn)位置示意圖

圖9 維式硬度分布（熱處理）

（5）按圖10 進(jìn)行堆焊化學(xué)成分分析取樣, 因?yàn)閷?shí)際生產(chǎn)中需要對(duì)耐腐蝕堆焊層進(jìn)行加工, 所以用表面2 進(jìn)行化學(xué)成分分析, 結(jié)果見表6。

圖10 堆焊層化學(xué)分析取樣示意圖

表6 熱處理試件堆焊層化學(xué)成分 wt.%

（6）根據(jù)試樣的化學(xué)成分, 按舍弗勒相圖計(jì)算得到δ 鐵素體含量為6%, 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定為5%～12%, 滿足要求。 弗勒相圖如圖11 所示。

圖11 舍弗勒相圖[3]

δ 相鐵素體是奧氏體狀態(tài)不銹鋼在凝固過程中生成并保留到常溫的鐵素體, 奧氏體不銹鋼焊縫中的δ 相鐵素體具有防止焊接熱裂紋, 改善焊接接頭的耐蝕性和力學(xué)性能等作用, 但是δ 相鐵素體含量過高會(huì)引起焊縫金屬的脆化等問題, 因此應(yīng)確保δ 相鐵素體在一定的范圍內(nèi)。 目前我國(guó)奧氏體不銹鋼焊縫金屬中δ 相鐵素體的合適含量還沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn), 對(duì)壓水堆核電站用焊接材料,一般要求δ=5%～12%[10]。

根據(jù)以上結(jié)果, 在熱處理的情況下試驗(yàn)結(jié)果能滿足ISO 15614-7 和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求, 工藝評(píng)定合格。

4.1.2 不熱處理工藝評(píng)定

不熱處理工藝評(píng)定結(jié)果如下：

（1）圖12 為不熱處理試板堆焊照片, 目視檢查結(jié)果符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

（2）滲透檢驗(yàn)結(jié)果和超聲波檢測(cè)結(jié)果符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

（3）宏觀金相試驗(yàn)結(jié)果如圖13 所示, 無宏觀可見的裂紋、 未焊透、 未熔合和母材結(jié)合不良的缺陷, 也不存在＞2 mm 的單個(gè)氣孔, 符合ISO 15614-7 標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖12 不熱處理試板堆焊照片

圖13 不熱處理試件宏觀金相

（4）按圖8 進(jìn)行維氏硬度（HV10）試驗(yàn)取點(diǎn),硬度分布情況如圖14 所示。 從圖14 可以看出,硬度分布規(guī)律與熱處理時(shí)相同, 各區(qū)硬度值與熱處理時(shí)各區(qū)硬度值非常接近, 熱處理對(duì)硬度值基本無影響。 最高硬度為222, 小于ISO 15614-7 標(biāo)準(zhǔn)中的最大值380, 滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖14 維式硬度分布（不熱處理）

（5）按圖10 進(jìn)行堆焊化學(xué)成分分析取樣, 化學(xué)成分分析結(jié)果見表7。

表7 不熱處理試件堆焊層化學(xué)成分 wt.%

（6）根據(jù)化學(xué)成分查舍弗勒相圖得到δ 鐵素體含量為6%, 滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的5%～12%要求。

根據(jù)以上結(jié)果, 在不熱處理的情況下試驗(yàn)結(jié)果也能滿足ISO 15614-7 和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求, 因此堆焊完成后, 不需要進(jìn)行熱處理。

4.2 模擬產(chǎn)品試驗(yàn)

按模擬產(chǎn)品試驗(yàn)方案進(jìn)行模擬件堆焊試驗(yàn),完成后的模擬件如圖15 所示。 可以看出內(nèi)、 外圓焊縫均達(dá)到了焊道平整、 尺寸均勻一致性好、 同心度好、 各焊道搭接量合適等要求, 經(jīng)目視檢測(cè)無未熔合、 未焊透、 夾渣、 裂紋等缺陷, 滲透檢測(cè)未見超標(biāo)缺陷顯示, 符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖15 模擬件堆焊

根據(jù)以上結(jié)果, 可以確定所用的自動(dòng)堆焊設(shè)備可以適應(yīng)公司產(chǎn)品結(jié)構(gòu)要求, 且堆焊質(zhì)量合格。

5 結(jié)論

（1）所選用的自動(dòng)堆焊設(shè)備能適應(yīng)公司產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的要求。

（2）應(yīng)用所選的自動(dòng)堆焊設(shè)備, 通過選定合適的工藝參數(shù), 焊接質(zhì)量能滿足ISO 15614-7 及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

（3）堆焊完成后, 不需要進(jìn)行熱處理, 堆焊質(zhì)量即能滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。