核電CV厚板窄間隙擺動自動焊接工藝參數研究

陳鵬　劉一搏　王亞峰　孫清潔

摘要：CAP1400核電站CV 模塊鋼板（SA-738 Gr.B）窄間隙自動焊具有填充量小、焊接效率高的特點。首先采用特制的窄間隙焊槍開展單一變量試驗，研究窄間隙坡口內擺動速度、側壁停留時間、焊接電流、焊接速度和焊絲尖端到側壁距離等參數對焊縫熔深、余高和側壁熔深的影響規律。結果表明，在窄間隙坡口內，擺動速度對焊縫熔深的影響最大;焊接電流和焊接速度對余高影響最大;焊絲尖端到側壁距離對側壁熔深影響最大，并確定了最優焊接參數范圍。其次采用最優參數對試板進行焊接并測試其力學性能，結果表明，其拉伸性能及沖擊性能均高于母材要求值。這為后續進一步進行CV窄間隙自動焊工藝工程應用研究提供了理論基礎和參考。

關鍵詞：SA-738 Gr.B;焊接工藝參數;窄間隙坡口;擺動電弧

中圖分類號：TG444文獻標志碼：A文章編號：1001-2303（2020）03-0011-07

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.03.02

0 前言

第三代核電機組CAP1400中大厚板低合金高強鋼的使用越來越廣泛，核用低合金高強鋼是經調質處理的碳錳鋼，其抗拉強度、屈服強度高，選用該種鋼材可有效降低板材的消耗量[1]。對于CV鋼制安全殼SA-738 Gr.B厚板，現有的手工焊及常規MAG自動焊具有較大的拘束度及大填充量的弊端，導致焊接接頭產生較大的殘余應力及焊后變形;此外，由于累積熱輸入量大，會對焊接接頭造成較大的塑韌性損傷，給力學性能帶來不利影響[2]。為了克服傳統厚板焊接的上述局限性，1963年美國Battelle研究所率先提出了一種窄間隙焊接技術（Narrow Gap Welding），其優越性在于坡口尺寸小，所需填充金屬較少，焊接工作量和生產成本大幅度降低[3]。最早的電弧擺動窄間隙焊接方法是波浪式焊接，在實際應用中范圍較為廣泛[4];日本學者Ono Hidehiko對波浪式焊絲窄間隙焊接方法的應用進行了大量研究[5];哈爾濱工業大學碩士研究生汪瓊[6]自制了擺動電弧窄間隙MIG焊炬，本文在此基礎上進行了相關研究。

試驗采用特制的窄間隙擺動電弧焊槍進行SA-738 Gr.B MAG自動焊焊接工藝研究。與電弧不擺動而只沿直線運動相比，具有明顯的優勢[7]。擺動電弧是在窄間隙坡口內往復擺動，當電弧擺動到靠近坡口側壁時，由于距離側壁較近，可使側壁金屬吸收足夠的能量而充分熔化，得到側壁熔合較好、焊縫成形好及接頭力學性能良好的焊接接頭。

1 試驗方法

焊接方法為熔化極氣體保護自動焊，設備為林肯S350焊機，選用脈沖模式，母材為8 mm厚Q345B低合金鋼板材和42 mm厚SA-738 Gr.B高強鋼鋼板，焊材為直徑φ1.2 mm的ER90S-G焊絲，保護氣體為混合氣體φ（Ar）80%+φ（CO2）20%。

首先采用特制的窄間隙焊槍在Q345B鋼板上采用平面堆焊方式，采用單一變量法探究擺動速度、側壁停留時間、焊接速度、焊接電流等對熔寬和余高的影響及規律，初步找出表面成形良好的焊接工藝參數;然后將母材改為42 mm厚SA-738 Gr.B高強鋼板材;采用特制的窄間隙焊槍將平面堆焊時得到的工藝參數在SA-738 Gr.B高強鋼厚板窄間隙坡口內進行單一變量試驗，研究窄間隙坡口內擺動速度、側壁停留時間、焊接電流、焊接速度和尖端到側壁距離對焊縫熔深、余高和側壁熔深的影響規律，確定最優焊接參數范圍;最后采用最優參數對試板進行焊接及力學性能測試。窄間隙坡口尺寸見圖1。母材SA-738 Gr.B鋼板力學性能要求見表1。<＼＼192.168.0.111＼電焊機雜志內頁＼2020年第3期＼陳鵬1.TIF>

2 試驗結果分析

2.1 平板堆焊焊接參數對焊縫成形的影響規律分析

采用單一變量法，圖2（從左至右依次為50 °/s、100 °/s、200 °/s、300 °/s、400 °/s、500 °/s）為不同擺動速度下的焊縫表面成形，圖3為不同擺動速度下熔寬、余高的變化規律。結合兩圖可以看出，當擺動速度為50°/s時，焊縫的熔寬已經不再穩定在一個值上，而是在一個范圍內波動，影響焊縫成形。在一定范圍內擺動速度越高，魚鱗紋越細密，成形較好。擺動速度對熔寬和余高的影響很小。

圖4（從左至右依次為0.2 s、0.6 s、1.0 s、1.4 s、1.8 s）為不同側壁停留時間的焊縫表面成形，圖5為不同側壁停留時間下熔寬和余高的變化規律。結合兩圖可知，隨著停留時間的增加，焊縫魚鱗紋由密到疏，熔寬總體趨勢為增加，余高總體趨勢為減小。

圖6（從左至右依次為75 A、110 A、150 A、180 A、210 A）為不同焊接電流的焊縫表面成形，圖7為不同焊接電流下熔寬、余高的變化規律。結合兩圖可以看出，焊接電流較小時，熔化金屬飛濺較大，隨著焊接電流的增大，飛濺減小，且成形較好，當焊接電流到達210 A時，焊縫寬度過大。焊縫熔寬隨著焊接電流的增加明顯增加，余高隨著焊接電流的增加緩慢遞增。焊接電流對熔寬影響較大，對余高影響較小。焊接電流在150～180 A時焊縫成形最好。

圖8（從左至右依次為53 mm/min、106 mm/min、159 mm/min、212 mm/min、265 mm/min）為不同焊接速度的焊縫表面成形，圖9為不同焊接速度下熔寬、余高的變化規律。結合兩圖可以看出，焊接速度較小時焊縫幾乎不成形，速度增大后焊縫成形較好，由于有擺動因素的存在，焊接速度過快時，焊縫成形會受到影響。隨著焊接速度的增加，熔寬的變化不明顯，余高總體趨勢在減小。

2.2 窄間隙坡口內焊接參數對截面尺寸的影響規律分析

采用單一變量法，圖10為不同擺動速度下焊縫表面成形及截面，圖11為不同擺動速度下熔深、側壁熔深和余高的變化規律。結合兩圖可以看出，當擺動速度小于100 °/s時，焊縫成形不良，且側壁有間斷性未熔合缺陷，隨著擺動速度的增加，焊縫魚鱗紋越來越密集，焊縫成形外觀較好，當擺動速度大于500 °/s時，焊槍本身會出現不穩定現象，因此會產生側壁未熔合缺陷。隨著擺動速度的增加熔深略有減小，側壁熔深先增大后減小，余高則基本不變。

圖12為不同側壁停留時間的焊縫表面成形及截面，圖13為不同側壁停留時間下熔深、側壁熔深和余高的變化規律。結合兩圖可以看出，側壁停留時間越短，焊縫魚鱗紋越致密，擺動時如果兩端停留0.1 s，側壁熔合不是很好，且焊縫上凸較明顯。隨著停留時間的增加，側壁熔合得到很大改善，但是當停留時間過大時，焊縫兩邊熔合效果存在差異，易出現質量問題。如果焊絲擺動到側壁時停留時間極短，電弧熱量主要集中在坡口中間區域，側壁熱輸入較小，因而焊縫熔深和余高較大，側壁熔深很小;如果到達側壁時作短暫停留，電弧對側壁的直接熱輸入增加，側壁熔深明顯增大，焊縫熔深和余高明顯減小;隨著側壁停留時間的增加，熔深和余高略有增大，側壁熔深又逐漸減小。

圖14為不同焊接電流下焊縫表面成形及截面，圖15為不同焊接電流下熔深、側壁熔深和余高的變化規律。結合兩圖可以看出，當焊接電流為90 A時，側壁熔合不充分，且焊縫成形很差;隨著電流的增加，當焊接電流增加到150～170 A范圍內時，焊縫表面近乎平面，成形良好;當焊接電流繼續增加到190 A 時，焊縫開始凸起，這對于多層焊接而言是不利的，易造成層間缺陷，應該避免。隨著焊接電流的增大，電弧對坡口底部及側壁的熱輸入增加，焊縫熔深、余高和側壁熔深均逐漸增大，這是因為當焊接電流較小時，送絲速度較小，整體坡口的填充量和熔化量很小;當電流增加時，側壁熔化區域增大，但由于送絲量的增加，余高也略有增加趨勢。

圖16為不同焊接速度下焊縫表面成形及截面，圖17為不同焊接速度下熔深、側壁熔深和余高的變化規律。結合兩圖可以看出，焊接速度在 96～180 mm/min時，焊縫成形較為美觀;當焊接速度小于53 mm/min 時，熱輸入過大，填充厚度過厚，導電嘴燒損較為嚴重;當焊接速度大于180 mm/min時，焊接過程不穩定，焊縫無法成形。隨著焊接速度的增加，焊縫熔深和余高均逐漸降低，而側壁熔深表現出先增大后減小的趨勢。

圖18為不同焊絲尖端到側壁距離的焊縫表面成形及截面，圖19為不同焊絲尖端到側壁距離下熔深、側壁熔深和余高的變化規律。結合兩圖可以看出，當焊絲尖端到側壁距離小于1.1 mm時，焊縫成形為凹形，有利于下一道的焊接，但是距離過小則會燒導電嘴，不能進行焊接;隨著焊絲尖端到側壁距離的增加，焊縫成形慢慢變得凸起，當距離過大時會出現側壁未熔合缺陷。隨著焊絲尖端到側壁距離的增加，熔深顯著增加，余高略微增加，而側壁熔深則是呈現先增加后減小的趨勢。

2.3 焊接工藝驗證

通過上述工藝參數對焊縫影響的規律性的研究，確定了最佳工藝參數范圍。采用特制的窄間隙焊槍，選用最優工藝參數：焊接電流110～200 A，焊接速度100～140 mm/min，擺動速度360 °/s，側壁停留時間為0.6～1.0 s，焊絲尖端到側壁距離為0.7～1.0 mm，對42 mm厚SA-738 Gr.B高強鋼板進行焊接，焊縫成形良好，且宏觀金相無缺陷，如圖20所示。然后對12件拉伸試樣進行試驗，實測平均抗拉強度為634 MPa，大于要求值620 MPa;對9件沖擊試件進行測試，最低值69 J，大于要求值54 J;彎曲試驗4件均合格。本試驗為后續進行工程實體應用研究奠定了理論基礎。

3 結論

（1）采用特制窄間隙焊槍，在窄間隙坡口內，隨著擺動速度的增加，熔深略有減小，側壁熔深先增大后減小，余高則基本不變;隨著側壁停留時間的增加，焊縫熔深和余高先減小后增加，而側壁熔深先增加后減小;隨著焊接電流的增加，焊縫熔深、余高和側壁熔深都增加，而余高增加趨勢最大;隨著焊接速度的增加，焊縫熔深和余高均逐漸降低，而側壁熔深表現出先增大后減小的趨勢;隨著焊絲尖端到側壁距離的增加，熔深顯著增加，余高略微增加，而側壁熔深則是先增加后減小的趨勢。

（2）通過規律性研究確定了窄間隙坡口MAG自動焊的最佳焊接工藝參數范圍，且該工藝力學性能符合母材技術要求，為后續進一步進行工程實體應用研究奠定了理論基礎，為后續核電CV高強鋼窄間隙自動焊研究提供參考。

參考文獻：

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