核電汽輪機閥門密封面自動堆焊工藝研究

何芬， 王大勇， 劉友東

(東方汽輪機有限公司， 四川 德陽， 618000 )

1 引言

核電汽輪機閥門工作溫度低于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。 公司該類產品結構如圖1 所示, 主汽閥和調節閥組對焊接完成后再采用手工電弧焊或手工鎢極氬弧焊進行密封面堆焊, 存在以下問題：

（1）堆焊時操作工人需鉆進閥殼內部進行施焊,施工環境惡劣, 操作不便, 危險系數高。

（2）工作量大,焊接質量容易受人為因素影響。

（3）有一個面需進行全位置焊接, 而焊接材料為ER309L 焊絲, 流動性非常好, 焊接質量很難保證。

因此, 有必要進行閥門密封面自動堆焊工藝研究。 目前為止, 已經有很多人對多種結構和材料的自動堆焊工藝進行研究和分析[2-9],但是閥門密封面自動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構的基礎上,設計、 選用了專門自動堆焊設備, 進行了工藝評定試驗, 得到了可行的自動堆焊工藝方案。

圖1 核電閥門示意圖（圈示部位為堆焊區）

2 試驗材料

核電閥門材料為G20Mo5, 屬于低合金鑄鋼,其化學成分及機械性能指標與16Mn 接近, 見表1～2。 根據ISO/TR 15608： Welding - Guidelines for a metallic materials grouping system 中對材料的分組原則, 本試驗選用16Mn 代替G20Mo5 進行了試驗。

表1 G20Mo5 與16Mn 化學成分對比 wt.%

表2 G20Mo5 與16Mn 機械性能對比

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

表3 ER309L 化學成分[3]wt.%

3 試驗方案

3.1 焊接設備

奧氏體類焊材熔池流動性很好, 為便于操作和保證堆焊質量, 焊接時盡可能使焊縫處于平焊位。 自動堆焊時閥門密封面堆焊結構的特點如下：

（1）主汽閥和調節閥組堆焊后高度約為4 m,而且核電閥殼為非對稱結構, 穩定性較差。 如果采用閥殼旋轉的方式實現自動焊接, 對轉臺的支撐、 旋轉要求程度非常高, 并且閥殼旋轉時比較危險。

（2）焊縫處于閥殼腔室內較深的位置。

（3）焊槍活動空間較小, 觀察焊接過程不方便。

（4）焊縫為圓環形焊縫, 位置較高, 手動找正不方便。

核電閥門密封面自動堆焊設備及方案如圖2所示。

圖2 核電閥門密封面自動堆焊設備及方案示意圖

采用自動焊設備和方案解決了核電閥門對焊的問題：

（1）設備采用閥不動, 焊槍旋轉的方案解決平焊位時閥門不穩定的問題。

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

（3）長管在滿足剛性的前提下盡量細以保證焊槍的活動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自動找正。

為了完成焊接過程, 該設備還可以實現以下功能：

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

3.2 試驗方案

用試板堆焊工藝評定試驗和模擬產品堆焊驗證自動堆焊工藝方案的可行性及對公司產品的適應性。 據實際情況認為氬弧焊質量比較高且較為穩定, 因此試驗采用氬弧焊填絲的方法進行焊接。

3.2.1 工藝評定試驗

按照ISO 15614-7 金屬材料焊接工藝規范和評定進行焊接工藝評定, 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行評定, 以驗證是否需要熱處理, 熱處理工藝如圖3 所示。

圖3 試板熱處理工藝

工藝評定內容及所依據的相關標準見表4。

表4 工藝評定內容及所依據的相關標準

3.2.2 模擬產品試驗

從圖1 可以看出, 核電閥殼主要是進行內圓堆焊, 其他產品可能需要對外圓進行堆焊, 因此模擬了內外圓同時需要堆焊的情況, 如圖4 所示。模擬件尺寸按產品規格進行簡化處理, 如圖5 所示, 焊后對模擬件焊縫按DW804A5123A-2006 進行PT 檢驗, 要求無缺陷。

圖4 模擬件堆焊示意圖（深色區域為堆焊焊縫）

圖5 模擬件尺寸/mm

4 試驗結果及分析

4.1 工藝評定試驗

按表5 所示試驗參數焊接了兩塊試板, 其中一塊進行熱處理, 另一塊不熱處理, 按表4 內容進行評定。

表5 工藝評定試驗參數

4.1.1 熱處理工藝評定

布病性附睪、睪丸炎影像學提示單側或雙側睪丸、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,符合標準要求。

圖6 熱處理之前試板堆焊照片

熱處理之后進行滲透檢驗、 超聲波檢驗、 宏觀金相試驗、 維氏硬度（HV10）試驗, 化學成分分析和δ 鐵素體含量測定, 結果如下：

（1）滲透檢測結果為未見超標缺陷顯示, 符合標準要求。

（2）超聲波檢測結果為未見超標脈沖反射信號顯示, 符合標準要求。

（3）宏觀金相試驗結果如圖7 所示, 無宏觀可見裂紋、 未焊透、 未熔合和母材結合不良的缺陷,也不存在＞2 mm 的單個氣孔, 符合ISO 15614-7標準要求。

圖7 熱處理試件宏觀金相

（4）按圖8 進行維氏硬度（HV10）試驗取點,硬度分布情況如圖9 所示。 從圖中可以看出： 硬度分布規律為熱影響區最高, 焊肉區次之, 母材最低, 最高硬度為218, 小于ISO 15614-7 標準中的最大值380, 滿足標準要求。

圖8 維式硬度取點位置示意圖

圖9 維式硬度分布（熱處理）

（5）按圖10 進行堆焊化學成分分析取樣, 因為實際生產中需要對耐腐蝕堆焊層進行加工, 所以用表面2 進行化學成分分析, 結果見表6。

圖10 堆焊層化學分析取樣示意圖

表6 熱處理試件堆焊層化學成分 wt.%

（6）根據試樣的化學成分, 按舍弗勒相圖計算得到δ 鐵素體含量為6%, 相關標準規定為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性能等作用, 但是δ 相鐵素體含量過高會引起焊縫金屬的脆化等問題, 因此應確保δ 相鐵素體在一定的范圍內。 目前我國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一的標準, 對壓水堆核電站用焊接材料,一般要求δ=5%～12%[10]。

根據以上結果, 在熱處理的情況下試驗結果能滿足ISO 15614-7 和相關標準要求, 工藝評定合格。

4.1.2 不熱處理工藝評定

不熱處理工藝評定結果如下：

（1）圖12 為不熱處理試板堆焊照片, 目視檢查結果符合標準要求。

（2）滲透檢驗結果和超聲波檢測結果符合標準要求。

（3）宏觀金相試驗結果如圖13 所示, 無宏觀可見的裂紋、 未焊透、 未熔合和母材結合不良的缺陷, 也不存在＞2 mm 的單個氣孔, 符合ISO 15614-7 標準要求。

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 進行維氏硬度（HV10）試驗取點,硬度分布情況如圖14 所示。 從圖14 可以看出,硬度分布規律與熱處理時相同, 各區硬度值與熱處理時各區硬度值非常接近, 熱處理對硬度值基本無影響。 最高硬度為222, 小于ISO 15614-7 標準中的最大值380, 滿足標準要求。

圖14 維式硬度分布（不熱處理）

（5）按圖10 進行堆焊化學成分分析取樣, 化學成分分析結果見表7。

表7 不熱處理試件堆焊層化學成分 wt.%

（6）根據化學成分查舍弗勒相圖得到δ 鐵素體含量為6%, 滿足相關標準規定的5%～12%要求。

根據以上結果, 在不熱處理的情況下試驗結果也能滿足ISO 15614-7 和相關標準要求, 因此堆焊完成后, 不需要進行熱處理。

4.2 模擬產品試驗

按模擬產品試驗方案進行模擬件堆焊試驗,完成后的模擬件如圖15 所示。 可以看出內、 外圓焊縫均達到了焊道平整、 尺寸均勻一致性好、 同心度好、 各焊道搭接量合適等要求, 經目視檢測無未熔合、 未焊透、 夾渣、 裂紋等缺陷, 滲透檢測未見超標缺陷顯示, 符合標準要求。

圖15 模擬件堆焊

根據以上結果, 可以確定所用的自動堆焊設備可以適應公司產品結構要求, 且堆焊質量合格。

5 結論

（1）所選用的自動堆焊設備能適應公司產品結構的要求。

（2）應用所選的自動堆焊設備, 通過選定合適的工藝參數, 焊接質量能滿足ISO 15614-7 及相關標準的要求。

（3）堆焊完成后, 不需要進行熱處理, 堆焊質量即能滿足相關標準要求。