核電321不銹鋼旋轉電弧窄間隙GTAW工藝

陳崇龍， 周繼輝， 李侃， 方超， 谷國超， 賈傳寶

(1. 中核檢修有限公司，山東 青島 266400；2.山東大學,材料液固結構演變與加工教育部重點實驗室，濟南 250061；3. 特種焊接技術安徽省重點實驗室，安徽 淮南 232000)

創新點： 采用旋轉電弧NG-GTAW新工藝，能夠在滿足焊接熱輸入要求的同時，提高焊接效率，減少填充量，為核級不銹鋼焊接提供了一種高效率、高質量的焊接新方法。

0 前言

核電321不銹鋼屬于18-8型Ni-Cr奧氏體不銹鋼，其力學性能與304不銹鋼非常相似，具有良好的塑韌性和低溫性能、優異的耐蝕性及無磁性等優點，廣泛應用在石油化工、航天、核電等領域[1]。然而321不銹鋼作為奧氏體不銹鋼種，其導熱系數小，線膨脹系數大，焊縫區域易氧化，因此對321不銹鋼的焊接工藝提出了較高要求[2]。采用傳統的焊接方法工藝難度大，并且容易導致氣孔、微觀偏析、熱影響區晶粒粗大等問題，難以保證焊縫成形質量。

窄間隙鎢極氬弧焊(NG-GTAW)工藝具有填充量小、成形質量高、焊接過程穩定等優點，主要應用在航空航天、石油化工、核電等要求較高的焊接領域，非常適合于不銹鋼、鋁、鎂、鈦等難焊金屬的焊接[3]。但窄間隙焊接坡口角度通常較小，電弧熱源軸線基本與側壁平行，對坡口側壁加熱不足，導致側壁熔合不良，對大型結構件的安全使用留下巨大隱患，因此解決側壁熔合不良問題是推廣窄間隙電弧焊接的關鍵所在。目前研究人員主要提出了旋轉/擺動電弧焊接技術、雙絲/雙電弧焊接技術、帶狀電極焊接技術及復合熱源焊接技術等[4]。

常規NG-GTAW工藝為了改善側壁熔合不良問題，通常是采用增大焊接參數或增加鎢極數量的方式來擴大電弧燃燒范圍，這不僅增加了焊接設備復雜性，更重要的是焊接熱輸入也會有明顯的增加，導致接頭性能無法得到有效保證。基于此，提出了一種非軸對稱旋轉電弧NG-GTAW新方法。與常規氬弧焊不同，被打磨的鎢極尖端偏離軸心并位于鎢極側壁上。在施焊過程中，電弧一旦被引燃，根據最小電壓原理，電弧總是選擇從尖端到基體金屬最短的路徑燃燒，以這種方式建立電流傳導的最佳路徑，因此隨著鎢極的旋轉，電弧可以周期性的在焊縫的左側壁-底部熔池-右側壁之間穩定燃燒，均勻的加熱母材金屬，保證焊縫成形質量。

焊接作為局部加熱、快速冷卻的材料連接工藝，涉及傳熱傳質等眾多復雜的物理、化學過程，特別是對于厚板的窄間隙焊接，由于焊接熱量高度集中且瞬時輸入，焊接溫度場及焊后產生的殘余應力和變形對接頭區域元素分布、構件裝備精度及尺寸穩定性等都有至關重要的影響[5]。因此研究分析焊接過程溫度場和應力場分布，對優化焊接工藝、提高焊接質量具有重要意義。

焊接溫度場是影響接頭質量、冶金成分及焊后應力、變形的重要因素，研究人員從試驗測定和數值模擬等角度展開了大量的研究。朱政強等人[6]采用試驗和數值模擬相結合的方法，研究了厚板窄間隙埋弧多道焊接工藝的溫度場分布，結果表明，多道焊接時的溫度分布變化比單道焊接時復雜很多，在距離焊縫中心較遠處，填充焊接前三道峰值溫度并不高，原因是不銹鋼導熱系數較小，鋼板內部傳熱需要一定時間。Al-Karawi等人[7]利用紅外攝像儀測量了金屬厚板焊接過程中板材表面的溫度場分布，并分別對窄間隙垂直電弧焊、激光焊及大功率旋轉電弧焊接的紅外測量結果和工藝效果進行評估。

焊接過程中，由于板材不同部位的加熱-冷卻循環不均勻，導致構件產生呈梯度變化的殘余應力。特別是對于質量要求較高的大厚度板材來說，焊接殘余應力及變形的出現對構件質量和安全使用構成巨大的隱患，因此研究分析焊接結構應力分布，采取針對性解決措施，全面掌控消除焊接殘余應力及變形具有重要意義。卜一之等人[8]對18 mm厚正交異性鋼橋面板中縱肋和橫隔板殘余應力分布進行研究，采用數值模擬和試驗驗證相結合的方法分析了構造細節和焊接順序對殘余應力分布的影響，優選確定先焊縱肋腹板、后焊縱肋底板的焊接順序。杜崢等人[9]采用盲孔法測定了10 mm厚1Cr18Ni9Ti焊接殘余應力，結果表明，在板材不同位置處應力有不同的表現形式，并隨著與焊縫距離的增大應力值降低，在試板兩側邊緣區域，壓應力衰減為零。Vemanaboina等人[10]利用X射線技術對GTAW接頭殘余應力水平進行了評估，利用熱成像技術對焊接接頭和底板界面的熱分布進行了映射，并開展了熱應力和殘余應力序列耦合熱-力學分析。

試驗采用旋轉電弧NG-GTAW新工藝，根據實際工業生產321不銹鋼焊接要求，在嚴格控制焊接熱輸入的條件下對321不銹鋼板進行多層單道焊接。檢測在多層單道窄間隙焊接過程中，焊縫區域不同位置的溫度場和應力場分布，為優選焊接參數、優化焊接工藝提供理論支撐。

1 試驗方法

采用旋轉電弧NG-GTAW新工藝對10 mm厚321不銹鋼開展對焊試驗，板材尺寸為500 mm×200 mm×10 mm，單邊開4 mm坡口，并預留2 mm鈍邊。所用焊絲為直徑1.2 mm的321不銹鋼專用焊絲。321不銹鋼的成分見表1。

表1 321不銹鋼元素含量(質量分數，%)

321不銹鋼主要應用在核電和壓力容器等領域，焊接熱輸入對321不銹鋼焊接接頭的疲勞壽命、抗腐蝕性能、低溫性能等有顯著影響，因此在滿足焊縫成形良好的前提下，應盡量控制焊接熱輸入。根據實際工業上氬弧焊對321不銹鋼板的焊接要求，將焊接熱輸入控制在10 kJ/cm以下。對旋轉電弧NG-GTAW工藝計算線性熱輸入，其計算公式為：

(1)

式中：E為焊接熱輸入，kJ/cm；I為焊接電流，A；U為電弧電壓，V；v為焊接速度，cm/min；η為焊接熱效率系數，在直流氬弧焊中熱效率系數約為0.75～0.85，文中取η=0.85。

在焊接工藝摸索過程中，為了保證打底焊焊接過程穩定，并且能夠較容易的實現單面焊雙面成形，在保證焊透的前提下，采用較小的焊接參數并且不填充焊絲。填充焊時，為了保證側壁熔合質量，同時提高焊接熔覆效率，相比于打底焊適當的提高了焊接參數。進行蓋面焊時，坡口邊緣由于多次的加熱，使得邊緣產生一定程度的熔化，因此為了避免蓋面時焊縫熔覆的寬度不夠而出現咬邊缺陷，適當的提升鎢極高度，并減小主軸保護氣以降低氣體對電弧向下的拘束作用，來增大旋轉電弧的加熱范圍。經過摸索最終確定了合適的焊接參數，見表2。

表2 321不銹鋼旋轉電弧NG-GTAW工藝參數

為了保證在窄間隙焊接過程中，保護氣可以有效的送入坡口底部，對于主軸保護氣通路，采用了2罐保護氣來增大氣流量。除了表中所示的焊接參數以外，打底焊時為了保護焊縫背面避免氧化，在背面焊縫處通入背保護氣，流量約為5 L/min，所選用的鎢極轉速為5 r/s。另外由于321不銹鋼導熱系數小，在多層焊接過程中，散熱較慢，熱積累嚴重，因此導致較大的焊接變形。經過摸索，對應上表所述的焊接參數下，設置約為3.5°左右的反變形，可基本抵消焊接變形角度。

利用K型熱電偶測量了NG-GTAW過程中不同位置處的焊接熱循環，溫度監測點如圖1所示。焊接過程中，分別監測了打底焊、填充焊和蓋面焊的溫度分布，采用自然冷卻的方式冷卻至60 ℃左右，再進行下一道焊縫的填充。測試點孔徑2 mm，打孔深度8 mm，每隔1 s監測一個數據。

圖1 溫度監測點位置示意圖

針對旋轉電弧NG-GTAW工藝條件下沿焊縫方向和垂直于焊縫方向的應力分布，采用盲孔法進行檢測，最大限度地保證原有殘余應力分布的完整性，保證由于應力釋放所引起的附加應力最小，測試設備采用濟南西格瑪科技有限公司生產的SRSS3-1型殘余應力測試裝置，實際取點位置示意圖如圖2所示，圖3為盲孔法測量用應變花示意圖和測試點標記坐標系。測試采用φ1.5 mm鉆頭，盲孔深度2 mm，盡可能地減小切削量，減小附加應力。

圖2 應力測試點位置示意圖

圖3 盲孔法測量用應變花示意圖和測試點標記坐標系

采用如圖3a所示的應變花測量焊接殘余應力時，其對應的應力計算公式[11]為：

(2)

式中：σ1,σ2為主應力，MPa；ε1,ε2,ε3為應變片所測得的釋放應變，其中ε1為0°方向，垂直于焊縫，ε2為45°方向，ε3為90°方向，平行于焊縫；A,B為應變釋放系數。321不銹鋼彈性模量E=195.0 GPa，泊松比μ=0.244 70，經計算A=-0.056 1，B=-0.164 8。

2 結果與討論

2.1 焊縫成形

打底焊、填充焊、蓋面焊的焊縫成形如圖4所示。圖4a為打底焊背面形貌，從圖中可以看出，打底焊成形均勻，未出現明顯的未焊透、焊漏等問題，實現了單面焊雙面成形，背面余高約1.2～1.5 mm。圖4b所示是填充焊成形圖，焊縫成形均勻美觀，呈現均勻致密的魚鱗紋，焊縫表面光潔，氣保護良好，金屬光澤明顯。在旋轉電弧機械外力和熔池慣性離心力作用下，液態熔池在焊縫底部得到充分鋪展，并且增強了對坡口側壁的沖刷效應，外加旋轉電弧對側壁的周期性加熱，可有效保證側壁熔合質量，得到成形良好的焊縫。圖4c是蓋面焊形貌圖，由于此時相當于常規氬弧焊的堆焊成形，保護氣并不需要深入坡口內部，因此在減小保護氣流量的情況下，所得到的焊縫依然具有明顯的金屬光澤。

圖4 NG-GTAW焊縫成形

圖5為焊接接頭橫截面的宏觀形貌，從圖中可以看到焊縫左右兩側對稱，側壁熔合良好，焊縫底部預留鈍邊已完全熔透，實現單面焊雙面成形。焊縫上表面平齊，基本無焊接變形產生，因此對于10 mm厚321不銹鋼板采用上述焊接工藝參數，可以得到成形良好的焊縫。與傳統的V形坡口多層多道焊接方式相比，采用窄間隙坡口可減少一定的填充量，有利于節省焊材，提高效率，同時避免多層多道焊接帶來的熱積累。相較于常規鎢極氬弧焊，周期性旋轉的電弧改變了原本“鐘罩型”熱源分布，使電弧熱量更均勻的加熱坡口側壁。焊接熱輸入的減小，可很大程度上縮減熱影響區面積，控制焊縫和熱影響區晶粒大小，保證接頭的力學性能和耐蝕性能。

圖5 焊縫截面形貌

2.2 旋轉電弧NG-GTAW工藝過程溫度監測

在實際焊接時，多層多道焊接往往比單道焊接更為常見，尤其是對于中厚板或者是管材的連接。NG-GTAW采用單道多層焊接方法，焊接過程中的熱積累及后熔覆層對前熔覆層的熱作用對焊縫組織和性能有重要影響，因此研究焊接過程不同位置處所經歷的熱循環對優化焊接工藝具有重要的指導意義。

圖6所示為窄間隙打底焊、填充焊和蓋面焊不同位置處的溫度場分布。圖6a表示打底焊溫度場分布。從圖中可以看出，在距離焊縫5 mm處的監測點，當焊槍經過時，溫度短時間內急劇上升達到350 ℃，隨著焊接過程的完成，溫度緩慢降低，約8 mm后可冷卻至60 ℃左右，由于不銹鋼導熱系數較小，因此其他位置溫度上升較為緩慢。另外打底焊要求板材焊透即可，為避免焊穿、焊漏等情況，采用了較小的焊接參數，因此峰值溫度較低。圖6b、圖6c是填充焊溫度分布，共對2道填充進行了溫度監測。相對于打底焊來說，為了提高熔覆效率，填充焊適當的增大焊接參數，因此在第一層填充時，峰值溫度達到450 ℃左右，所需冷卻時間也明顯增加。當進行第二層填充時，由于增大了焊接參數以及打底焊、第一道填充焊的熱積累效應，在近焊縫位置處，峰值溫度瞬時達到600 ℃，并且所需冷卻時間也大大延長。當進行蓋面焊時，為了避免坡口處出現咬邊等問題，適當的提高鎢極尖端位置，減小豎直向下的主軸保護氣流量來增大電弧加熱范圍，由圖6d可知，近焊縫位置最高溫度約460 ℃。

圖6 多道焊接過程中不同位置所經歷的熱循環

從上述結果看出，在NG-GTAW單道多層焊接過程中，在進行打底焊和首次填充焊時，由于所用焊接參數及熱積累作用較小，近焊縫區域最高峰值溫度較低且持續時間較短，幾乎不會對熱影響區微觀組織產生明顯影響。在進行第二道焊縫的填充時，最高溫度達到600 ℃。當奧氏體不銹鋼處在450～850 ℃較長時間時，在奧氏體不銹鋼晶界處會析出鉻的碳化物造成晶界貧鉻，增大材料的腐蝕傾向[12]，嚴重縮短設備壽命，危害使用安全性。因此多道焊接過程中應延長焊縫冷卻時間，控制焊接熱輸入，盡量避免熱量積累。

2.3 旋轉電弧NG-GTAW殘余應力檢測

不銹鋼板材的焊接，特別是中厚板的焊接，接頭區域受到不均勻溫度場的作用，在焊接過程結束后，在材料內部存在殘余應力。焊接殘余應力對焊接件通常是有害的，會嚴重影響材料的疲勞壽命、使用穩定性和耐蝕性等。

圖7所示是垂直于焊縫方向的應力分布，其中黑色折線表示橫向應力分布，紅色折線表示縱向應力分布。從圖中可以看出，在垂直于焊縫方向上，橫向應力和縱向應力分布趨勢相似，在近焊縫區域，呈現較高的拉應力，應力范圍300～400 MPa之間，基本和材料的屈服強度相當，此時近焊縫區域盲孔點可能產生一定程度的塑性變形，致使所測得的應力值與實際應力分布波動較大。當遠離焊縫位置時，拉應力逐漸降低且受力方式由拉應力轉變為壓應力狀態，橫向應力比縱向應力降低趨勢更加明顯，在遠離焊縫區域，呈現出明顯的壓應力上升的趨勢。

圖7 垂直于焊縫方向應力分布

圖8為沿焊縫方向的殘余應力分布，采樣點如圖2所示，距離焊縫邊緣20 mm。由圖中可以看出，在沿焊縫方向上，橫向殘余應力分布特征和縱向應力分布特征基本一致，均表現出在焊縫中間區域應力值較大，在板材兩端殘余應力值較小。相區別于垂直于焊縫方向的應力分布，由于取樣位置均在近焊縫區域，因此應力分布均呈現拉應力狀態，未表現出壓應力。

圖8 平行于焊縫方向的應力分布

3 結論

(1)非軸對稱旋轉電弧可以有效地解決NG-GTAW工藝側壁熔合不良的問題，通過優化焊接工藝參數，依據核電行業實際焊接要求將熱輸入嚴格控制在10 kJ/cm以下，焊縫均勻美觀，成形良好。

(2)在核電321不銹鋼的旋轉電弧多層單道焊接過程中，打底焊由于采用焊接參數較小，滿足熔透即可，因此近焊縫區域峰值溫度較低，約為350 ℃；填充焊時，為了提高熔覆效率在一定程度上增大了焊接效率，外加熱積累效應，導致峰值溫度增高至600 ℃，此時奧氏體不銹鋼接頭將處在敏化溫度區間，蓋面焊時，為了避免咬邊去缺陷，適當增大電弧電壓，擴大電弧加熱范圍，可得到成形良好的焊接接頭。

(3)垂直于焊縫方向上，橫向殘余應力和縱向殘余應力均表現為拉應力狀態，隨著與焊縫距離的增大，應力值隨之降低，當距離焊縫一定距離時，拉應力狀態轉變為壓應力，且有明顯的增大趨勢。沿焊縫方向上，均呈現出拉應力狀態，距離板材邊沿較近的區域，應力值較低，在板材中心處，應力值較高。