羅瑞強(qiáng)，賈世進(jìn)，姜佳成，梁瀟茹，劉金平，吳闖，馬明豪，陳鵬

1.核工業(yè)工程研究設(shè)計(jì)有限公司

2.中核集團(tuán)高效能化焊接重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 101300

3.中國(guó)核電工程有限公司 北京 100840

1 序言

隨著科技的不斷發(fā)展及人力成本的增加，焊接新技術(shù)被廣泛應(yīng)用于核電安裝領(lǐng)域薄壁小管道的焊接中[1]。其中，全位置TIG自動(dòng)焊技術(shù)因具有焊接質(zhì)量高、焊接速度快等優(yōu)勢(shì)，在該領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。然而，全位置自動(dòng)焊打底在仰焊位置受重力影響，易出現(xiàn)焊縫內(nèi)部凹陷缺陷[2]，這一難點(diǎn)仍然制約著該技術(shù)的大規(guī)模推廣。為解決這一問題，目前國(guó)內(nèi)外除了研究常規(guī)工藝影響因素外，還提出了增加熔化襯墊環(huán)[3]來(lái)解決仰焊位置凹陷的方法。常見的熔化襯墊環(huán)內(nèi)徑均小于母材管徑，可在打底焊中完全熔化，解決仰焊位置凹陷問題。張小強(qiáng)等[4]已經(jīng)成功將銅襯墊自動(dòng)焊接成功應(yīng)用于長(zhǎng)輸油氣管道，鹿鋒華等[5]則對(duì)X65鋼銅襯墊焊后接頭性能研究表明，采用鋼銅襯墊焊接接頭的一次合格率高達(dá)92%，具有穩(wěn)定的可靠性。20鋼的碳當(dāng)量[6]為0.26%＜0.40%，具有淬硬性較小，焊接性良好，焊接時(shí)不需要預(yù)熱、控制層間溫度或后熱，整個(gè)焊接過(guò)程不必采取特殊的工藝措施，焊后的接頭塑性和沖擊韌度良好，以及無(wú)回火脆性等優(yōu)點(diǎn)。20鋼作為核電堆中常見的材料之一，在核工業(yè)中具有廣泛的應(yīng)用。然而，傳統(tǒng)的自動(dòng)焊焊接技術(shù)往往會(huì)導(dǎo)致焊縫凹陷等問題，不符合核工業(yè)的質(zhì)量要求。

為解決以上問題，本研究將針對(duì)20鋼進(jìn)行研究，采用熔化襯墊自動(dòng)焊工藝來(lái)實(shí)現(xiàn)焊接。該技術(shù)在焊接過(guò)程中可實(shí)現(xiàn)熔化襯墊的自動(dòng)補(bǔ)償，從而可有效避免焊縫凹陷等質(zhì)量問題。為了驗(yàn)證該技術(shù)的效果，本研究將對(duì)焊縫進(jìn)行性能測(cè)試和分析。通過(guò)本研究，希望能夠探索和應(yīng)用新型的焊接工藝技術(shù)，提高20鋼焊接效率及質(zhì)量，滿足核工業(yè)的高品質(zhì)要求。這一研究成果對(duì)于核工業(yè)在焊接領(lǐng)域的技術(shù)提升和推廣具有重要的意義。

2 試樣材料及加工方法

研究用母材型號(hào)為GB/T 3087—2022《低中壓鍋爐用無(wú)縫鋼管》規(guī)定的20無(wú)縫鋼管（以下簡(jiǎn)稱20鋼），規(guī)格為φ60mm×4mm，其主要化學(xué)成分見表1。對(duì)母材進(jìn)行力學(xué)試驗(yàn)和布氏硬度檢測(cè)，結(jié)果見表2。從表2可知，母材的硬度為156HBW。

表1 20鋼管化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表2 20鋼管室溫力學(xué)性能

焊接方法為加熔化襯墊自動(dòng)焊，對(duì)母材背面進(jìn)行充氬保護(hù)。焊前需對(duì)坡口表面進(jìn)行徹底清潔，包括管道內(nèi)外表面至少25mm的區(qū)域，接頭所有部分都應(yīng)使用適當(dāng)?shù)娜軇ㄔ囼?yàn)選用丙酮）進(jìn)行清洗，以確保無(wú)油脂污染。清潔完成后采取堵頭密封等措施保持鋼管在焊前的清潔度。

使用的打底熔化襯墊是放置在焊縫根部進(jìn)行填充的金屬材料，它將在打底焊接過(guò)程中與焊縫根部完全熔合，成為焊縫的一部分。此熔化襯墊環(huán)參照AWS A5.30/A5.30M：2007《自耗嵌塊規(guī)范》進(jìn)行選用，采用20鋼通過(guò)數(shù)控銑床加工而成，規(guī)格尺寸要求如圖1所示。

圖1 熔化襯墊環(huán)加工規(guī)格尺寸

3 焊接工藝開發(fā)

3.1 打底焊接

焊接電流和焊接速度是相互關(guān)聯(lián)的參數(shù)，它們一起控制著焊接熱輸入的大小。通過(guò)前期的大量試驗(yàn)，得到了一組合格的峰值電流133A、基值電流47A（電流調(diào)整量為100%，后文電流按此關(guān)系換算），以及與其搭配的峰值行走速度30mm/min，基值行走速度35mm/min。在此基礎(chǔ)上，采用單一變量法來(lái)研究熔化襯墊環(huán)打底焊過(guò)程中焊接電流和焊接速度的合理范圍及其最優(yōu)參數(shù)。

（1）焊接電流 焊接電流是決定焊縫成形質(zhì)量的關(guān)鍵因素。因此，選取了同一峰值行走速度30mm/min，基值行走速度35mm/min，并分別調(diào)整電流為98%、99%、100%、101%和102%進(jìn)行搭配焊接，以研究焊接電流對(duì)熔化襯墊環(huán)打底的焊縫宏觀形貌的影響。不同焊接電流打底焊縫成形宏觀形貌如圖2～圖6所示。由圖2a、b可知，當(dāng)焊接電流調(diào)整量為98%時(shí)，焊接從4點(diǎn)鐘位置開始出現(xiàn)熔化襯墊環(huán)斷續(xù)性未熔化，打底焊縫不合格。由圖3～圖5可看出，熔化襯墊環(huán)熔化完全，焊接成形良好，無(wú)目視可見凹陷；當(dāng)焊接電流調(diào)整量為101%時(shí)，可觀察有輕微凹陷。經(jīng)測(cè)量，上述3組電流打底焊接后6點(diǎn)鐘位置凹陷分別為0.15mm、0.1mm、0.3mm，滿足核電站建造標(biāo)準(zhǔn)，打底焊縫合格。目前，在建核電主要堆型采用RCC-M—2007《壓水堆核島機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)與建造規(guī)則》對(duì)焊縫的內(nèi)凹要求：若接頭為水平對(duì)接（5GT），則在仰焊位置允許有≤0.5mm的內(nèi)凹。由圖6可知，當(dāng)焊接電流調(diào)整量為102%，焊接至7點(diǎn)鐘位置時(shí)焊漏，打底焊縫不合格。

圖2 焊接電流調(diào)整量為98%時(shí)打底焊接成形宏觀形貌

圖3 焊接電流調(diào)整量為99%時(shí)打底焊接成形宏觀形貌

圖4 焊接電流調(diào)整量為100%時(shí)打底焊縫成形宏觀形貌

圖5 焊接電流調(diào)整量為101%時(shí)打底焊縫成形宏觀形貌

圖6 焊接電流調(diào)整量為102%時(shí)打底焊縫成形宏觀形貌

綜上所述，在焊接峰值行走速度為30mm/min、基值行走速度為35mm/min下，當(dāng)焊接電流調(diào)整量為99%～101%時(shí)，熔化襯墊環(huán)打底焊接的焊縫成形合格。同時(shí)，當(dāng)焊接電流調(diào)整量為100%時(shí)，焊接6點(diǎn)鐘位置的凹陷最小，因此焊接電流調(diào)整量為100%是該速度下熔化襯墊環(huán)打底焊接最優(yōu)的焊接電流參數(shù)。

（2）焊接速度 在焊接電流調(diào)整量為100%時(shí)，選取表3中5組焊接速度進(jìn)行研究，觀察其焊接過(guò)程及焊后成形，并得到焊接速度對(duì)熔化襯墊環(huán)打底的焊縫宏觀形貌的影響。由表3可知，當(dāng)焊接電流調(diào)整量為100%時(shí)，為了保證焊接仰焊位置凹陷滿足核電建造要求，峰值行走速度應(yīng)控制在30～35mm/min，基值行走速度應(yīng)控制在35～40mm/min。同時(shí)，為了盡量保證焊接熱輸入，推薦選擇峰值行走速度30mm/min和基值行走速度35mm/min。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，得出焊接電流調(diào)整量為100%時(shí)，焊接速度的最佳工藝為峰值行走速度30mm/min和基值行走速度35mm/min。

表3 不同行走速度下打底焊接過(guò)程及成形記錄

3.2 蓋面焊接

對(duì)于試驗(yàn)管道的蓋面焊接，可以采用牌號(hào)CHW-50C6、直徑為1.0mm的焊絲，并采用分5個(gè)區(qū)間的脈沖電流加擺動(dòng)送絲的焊接工藝進(jìn)行焊接，焊縫成形宏觀形貌如圖7所示。從圖7可看出，其內(nèi)部成形良好，無(wú)凹陷，外部焊縫高于母材表面，且無(wú)肉眼可見的缺陷，滿足焊縫外觀檢測(cè)要求。

圖7 蓋面焊縫成形宏觀形貌

4 焊縫力學(xué)性能及微觀結(jié)構(gòu)

打底、蓋面焊接完成后進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)，焊縫的力學(xué)性能數(shù)據(jù)見表4。試樣拉伸斷裂位置如圖8所示。同時(shí)，從圖8可清晰地看出，斷裂發(fā)生在母材區(qū)域，表明所得到的焊縫符合各項(xiàng)要求。

圖8 拉伸斷裂位置

表4 焊縫力學(xué)性能

對(duì)編號(hào)LX-CS-MA-01試樣進(jìn)行金相觀察，結(jié)果如圖9所示。由圖9可知，焊縫和熱影響區(qū)微觀組織中未出現(xiàn)顯微裂紋和沉淀物，因此可以斷定此工藝下的焊縫組織穩(wěn)定。

圖9 焊縫的宏觀形貌及微觀組織

5 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)20鋼加熔化襯墊自動(dòng)焊的工藝進(jìn)行研究與性能分析，得出如下結(jié)論。

1）通過(guò)增加熔化襯墊環(huán)可以解決全位置管道自動(dòng)焊仰焊位置凹陷的問題，為后續(xù)的核電建造大范圍應(yīng)用全位置自動(dòng)焊技術(shù)建立技術(shù)儲(chǔ)備。

2）通過(guò)試驗(yàn)研究，用合適的參數(shù)完成加熔化襯墊的20鋼自動(dòng)焊焊接的焊接接頭性能滿足核電建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)要求。