核電CV無軌導機器人焊接接頭組織及性能研究

肖志威，肖玉豪，曾凡勇，朱稱生，方一，王義

中國核工業第二二建設有限公司 湖北武漢 430051

1 序言

核電鋼制安全殼內放置有反應堆、穩壓器等核島設備裝置，主要功能是為了預防放射性物質的泄漏，保證核島在受到外來撞擊的情況下不發生損壞[1]。三代AP-1000 CV筒體鋼制安全殼及安全殼鋼襯里采用SA738 Gr.B鋼板，該材質有著良好的力學性能，同時具有較好的焊接性能。

三代核電AP1000 CV筒體鋼制安全殼及安全殼鋼襯里是核電站非能動安全殼冷卻系統中最關鍵的組成部分，其在焊接作業中主要的焊縫形式是大曲率焊縫或類直線焊縫。過去生產中一直采用手工焊或是通過鋪設有軌道焊接機器人進行焊接。但軌道式移動焊接機器人也存在諸多限制，如需要在焊接之前根據焊縫位置將導軌安裝固定，而此時進行軌道的安裝與拆卸非常麻煩。當焊接安全殼時，殼體內部有多條長焊縫需要焊接，此時需要對導軌進行多次安裝與拆卸，這樣將會造成大量人力、物力的消耗，從而影響到正常的工期。

為了克服這些缺點，張華等[2]采用了輪履式全位置爬行式弧焊機器人，該機器人由爬行機構、焊接系統、視覺跟蹤系統以及控制系統組成，無需鋪設軌道，也無需導向。爬行機構具有負載能力強、行動方便等特點，滿足機器人在大型工件上的全位置爬行焊接要求，且能滿足焊縫的精確跟蹤，實現大型工件焊接過程的自動化。因此，我公司擬開展無軌導機器人進行該類焊縫的焊接，在能夠確保焊接質量的情況下減少了軌道鋪設的時間，同時降低了使用高水平焊工的成本。本文針對核電鋼制安全殼典型接頭和焊接位置，采用無軌導機器人自動熔化極氣體保護焊，并對接頭的力學性能和微觀組織進行了分析，為實際產品的焊接提供指導和借鑒。

2 試驗材料、設備及方法

2.1 試驗材料

試驗采用的母材為SA738 Gr.B鋼，尺寸為700mm×200mm×42mm，開45°X形坡口。焊接材料采用ER90S-G，φ1.2mm。表1和表2分別為母材和焊接材料的化學成分和力學性能。

SA738 Gr.B屬于低合金高強度鋼，屬于核電鋼制安全殼專用鋼板，焊接時有一定淬硬、冷裂傾向，因此在焊接前須進行預熱，以防止冷裂紋出現[3]。根據NB/T 20450.4—2017中關于MC級部件的相關要求，預熱溫度為95℃，層間溫度不低于預熱溫度，且≤200℃（＞200℃不僅會對組織性能產生影響，同樣也會造成爬行機器人履帶中釹鐵硼磁鐵因消磁而打滑），試驗采用電加熱進行預熱，預熱溫度95℃。本試驗使用的SA738 Gr.B鋼是國內生產的調質鋼，微觀組織主要為貝氏體，具有優良的強度和韌性。

焊接材料選用ER90S-G焊絲，φ1.2mm。ER90S-G在ASME規范中屬于氣體保護電弧焊用低合金鋼焊絲，母材以及焊接材料的化學成分（實測）和標準力學性能（焊態）見表1、表2，母材的顯微組織如圖1所示。

表1 母材及焊接材料的主要化學成分（質量分數） （%）

表2 母材及焊接材料的力學性能 （MPa）

圖1 SA738 Gr.B母材微觀組織

2.2 試驗設備及方法

為了模擬實際核電CV的焊接，焊接試驗位置采用向上立焊，焊道的分布如圖2所示。

圖2 焊道分布

焊接設備選用BOT-WTA10-421型無軌導機器人，搭載熔化極自動氣體保護焊槍，如圖3所示。該設備可通過調整履帶上磁體的距離實現不同磁力大小的調整，保證設備在工件上的正常吸附。采用的焊接參數見表3。

圖3 無軌導爬行機器人

表3 焊接參數

焊后對接頭的宏觀形貌和微觀組織進行取樣分析。采用線切割方式進行金相取樣，完成取樣后按照粗磨、細磨、拋光、腐蝕的方式完成金相制樣。完成金相檢測后，對接頭不同區域進行硬度測試，如圖4所示。選取母材1/2厚度處，從焊縫到母材進行逐點測試，點間距為1mm。設備選用HVS-30CCT維氏硬度計，壓力為98.7N，保壓時間為10～15s。為了評價接頭力學性能，按照標準對接頭進行拉伸試驗、沖擊試驗和彎曲試驗。

圖4 硬度測量點位分布

拉伸試驗分別按照GB/T 228.2—2015及GB/T 2651—2008進行高溫拉伸及室溫拉伸兩種試驗。高溫拉伸溫度為200℃，試驗最終結果中每個試樣的抗拉強度應不低于母材標準規定值的下限（≥540MPa），室溫拉伸每個試樣的抗拉強度應不低于母材標準規定值的下限，即抗拉強度≥585MPa。沖擊試驗按照GB/T 2650—2008標準進行，對焊縫金屬、母材以及熱影響區各加工出3組55mm×10mm×10mm的沖擊試樣，采用JB-200B沖擊試驗機進行－18℃的沖擊試驗。彎曲試驗依照GB/T 2653—2008標準執行，由于試件厚度為42mm，故用側彎來代替面彎及背彎，共進行4次側彎試驗來檢驗焊縫中可能存在的缺陷。

3 試驗結果及分析

3.1 焊接參數對根部熔合的影響

試驗前期進行了大量的焊接試驗，參數調整前主要出現的焊接缺陷為焊縫與母材金屬未熔合（見圖5a）。通過分析，擺動停留時間及焊接速度是影響熔合質量的重要因素。圖5b為改變相應參數，即略微增加停留時間以及適當降低在焊接過程中的焊接速度后，使焊縫金屬與母材得到了良好的熔合。分析認為增加了停留時間以及在降低焊接速度后，實質上增加了電弧對母材的熔化作用，同時熔敷金屬能更好地流動。

圖5 焊縫根部熔合情況

通過彎曲試驗來進一步觀察焊接試件中可能存在缺陷分布情況，4件側彎試件試驗后狀態如圖6所示。在彎曲180°時，接頭的受拉面沒有可見缺陷，說明接頭整體性能良好。

圖6 試件側彎受拉面

3.2 接頭形貌及微觀組織

圖7所示為接頭整體宏觀形貌，可以看出焊縫熔敷金屬與母材熔合良好，無氣孔、裂紋、未熔合及夾渣等缺陷。為了進一步對各區域進行分析，分別對各區域的微觀組織進行觀察分析。

圖7 焊縫宏觀形貌

圖8～圖10所示分別為不同區域的微觀組織。整體上焊縫區組織為針狀鐵素體+貝氏體，熱影響區包括過熱貝氏體組織及細晶粒鐵素體+珠光體組織。除此之外，同區域不同位置處的組織形態略有差別。

圖10 不同位置處的熱影響區微觀組織

焊縫區因焊接過程的快速冷卻，形成的鐵素體晶粒細小，但針對位置5處的焊縫組織而言，因受到后續焊道的持續加熱，相當于進行了焊后熱處理，部分針狀鐵素體轉變為塊狀鐵素體，甚至開始出現少量珠光體組織（見圖8b）。

圖8 不同位置處的焊縫微觀組織

緊鄰焊縫區的熔合區組織因受熱作用明顯粗化，且已經有形成馬氏體的傾向（見圖9b）。不同位置處的組織形態基本相似。

圖9 不同位置處的熔合區微觀組織

圖10是不同位置熱影響區微觀組織。相比于熔合區的粗晶組織，較遠處的細晶區形成細小的等軸鐵素體和珠光體組織，相比母材晶粒更加細小。分析認為，該區域溫度在Ac3，處于正火區，在此溫度下原先的母材組織發生回復與再結晶，形成細小的鐵素體和珠光體組織，且不同位置處的形態幾乎不變，這類組織具備較高的強度和韌性，對接頭性能有益。

3.3 接頭力學性能

（1）拉伸試驗 拉伸試驗結果見表4。母材要求的最低室溫抗拉強度為585MPa，最低高溫抗拉強度為540MPa。從試驗結果中可以得知，焊接接頭的抗拉強度均滿足試驗要求。

表4 拉伸試驗結果 （MPa）

（2）沖擊試驗 沖擊試樣的缺口軸線位于焊縫區，試驗結果見表5。從試驗結果可以看出，低溫沖擊性能相當優良，且3種位置的沖擊吸收能量都遠大于標準要求（－18℃，≥24J）。分析認為，對沖擊吸收能量影響最大的因素是焊接熱輸入，采用無軌導機器人進行多層多道焊接，并嚴格把控層間溫度，能有效保證焊縫的沖擊韌度。

表5 SA738 Gr.B板各位置沖擊試驗結果 （J）

（3）硬度分析 圖11所示為焊縫中心的顯微硬度分布。從圖中可以看出，在母材中心位置處，焊縫區的硬度分別在238HV左右，熱影響區在187HV左右，而母材區的硬度在198HV左右。

圖11 距1/2母材厚度處顯微硬度分布

根據前述組織分析，焊縫區冷卻速度快，形成的鐵素體和貝氏體組織晶粒細小，硬度高；粗晶區的組織發生一定的粗化，顯微硬度略微降低，但較母材而言顯微硬度增加，同時沖擊性能略微下降。

4 結束語

1）針對SA738 Gr.B鋼，采用無軌導機器人自動熔化極氣體保護焊焊接工藝得到了良好的接頭，宏觀上無明顯缺陷產生。

2）整體上焊縫區組織為針狀鐵素體+貝氏體，熱影響區包括過熱的貝氏體組織及細晶粒的鐵素體+珠光體組織。不同母材厚度處的焊縫組織因受到多層多道熱影響略微不同，熔合區組織有過熱傾向，正火區組織發生回火再結晶，得到了細小的晶粒組織。

3）對接頭進行了拉伸試驗、沖擊試驗和硬度測試，結果均符合標準要求，硬度分布規律與拉伸試驗的斷裂位置一致。

4）采用無軌導機器人焊接方式，得到了滿足性能要求的焊接參數，為后期現場推廣應用奠定了基礎。