壓水堆核電站主管道窄間隙自動焊用焊絲研究

朱德才 李付良 聶巖 李予衛

摘 要：焊接填充材料不僅影響焊接過程的穩定性、焊接接頭的性能和質量，同時也影響焊接效率。壓水堆核電站建設中主管道傳統手工焊接用的填充材料是ER316L，該材料焊接性能穩定，易于操作。主管道窄間隙自動焊采用窄間隙坡口和單層單道焊接技術，該工藝需要焊絲具有更好的熔池流動性和更高的純凈度以保證焊縫成形質量，該文就上述要求對自動焊專用焊絲進行研究。

關鍵詞：核島安裝 主管道 自動焊 焊絲

中圖分類號：TG404 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2012）12（a）-00-02

核電站主管道是連接核島主設備的大厚壁承壓管道，是核電站的“主動脈”，其焊接質量直接影響電站的安全運行。采用傳統手工電弧焊進行主管道焊接時，每個焊縫需要兩名優秀焊工同時焊接35d完成，工作量大、勞動強度高、施工環境惡劣。目前，我國核電建設已進入快速發展時期，傳統手工焊工藝已難適應核電批量化建設需求，采用高效穩定的窄間隙自動焊技術是必然趨勢。另外，我國部分在役電站已運行近20年，正面臨主設備維修和更換問題，自動焊技術在強輻射環境下實施作業具有不可替代的優勢。因此，在主管道焊接中引入自動焊技術非常必要，相應焊絲的研究和開發同樣關鍵。

1 自動焊工藝特點

1.1 窄間隙坡口

相比傳統手工焊坡口，自動焊窄間隙坡口具有可減小焊接的殘余應力和變形、提高焊接接頭質量、減少焊縫金屬的填充量、降低生產成本和提高生產率等優勢。但窄間隙坡口由于坡口角度較小，兩側基本處于垂直狀態，因此在焊接過程中，坡口側壁是發生未熔合概率高的區域。

圖1 手工焊和自動焊坡口圖對比

1.2 單層單道焊接工藝

該工藝具有生產效率高，適合大厚壁管道，焊縫搭接處不平整容易出現未熔合、氣孔等缺陷。

圖2 單層單道焊接工藝

2 自動焊焊絲研究

自動焊在焊接工藝、焊接材料和檢測技術等均與手工焊存在較大差異，同時我國現行核電建設標準對自動焊的相關技術標準尚未明確，焊接配套設備、工藝參數、焊材和檢測技術等需進行開發、改進和完善。核電建設中主管道傳統焊接中采用的填充材料是ER316L，該材料焊接性能穩定，易于操作。主管道窄間隙自動焊采用窄間隙坡口和單層單道焊接技術，該工藝需要焊材具有更好的熔池流動性和更高的純凈度以保證焊縫成形質量，因此需對ER316L焊材組成進行調整以適應自動焊工藝要求。

由于主管道中的工作介質高溫、高流速和強輻射等特點，主管道自動焊焊絲除了要求熔池流動性好外，還需要綜合考慮其它元素含量對其焊縫質量的影響，如：

磷元素（P）：P在焊縫中是一種有害元素。在熔池快速結晶時，P易發生偏析且分布于晶界，減弱了晶粒間的結合力，同時它本身既硬又脆。這就增加了焊縫金屬的冷脆性，即沖擊韌性降低，脆性轉變溫度升高。P元素在奧氏體不銹鋼焊縫中還能促使形成結晶裂紋，因此需限制焊材中P的

含量；

硫元素（S）：S在熔池結晶時容易發生偏析分布與晶界，從而增加了焊縫金屬產生結晶裂紋的傾向，同時還會降低沖擊韌性和抗腐蝕性；

銅元素（Cu）：Cu在焊縫中可提高強度和韌性，也能提高抗大氣腐蝕性能。但是Cu在焊接時容易產生熱脆，Cu含量高塑性顯著降低，且對焊材的可焊性也有不利影響；

鈷元素（Co）：由于主管道工作介質屬于強輻射環境，為減少輻射影響需要降低焊材中的Co元素含量；

硼元素（B）：焊縫中含微量的B可以改善焊縫的致密性，提高強度。但是B對可焊性非常不利，一般要求奧氏體不銹鋼中不加B；

硅元素（Si）：Si含量提高，可以降低熔滴金屬的表面張力，使熔滴顆粒變細，更容易實現噴射過度，使電弧變得更穩定。

根據上述分析，在自動焊焊材開發過程，通過提高焊絲中Si含量可以降低熔滴金屬的表面張力，使熔滴顆粒變細，更容易實現噴射過度，使電弧變得更穩定，同時還能改善熔滴金屬的濕潤性，從而增加了熔池流動性，減少產生未熔合缺陷的風險。

同時，為了保證主管道的焊接質量，除了改變焊絲中Si含量外，還調整了其他相關化學元素組分，開發出與窄間隙自動焊技術相匹配的316S93（N）C MIDI SPOOL焊絲。

3 工藝匹配性試驗

3.1 熱裂紋試驗

焊絲中提高Si元素含量，有可能增加焊縫的熱裂紋傾向的概率。因此需要在焊接過程中模擬現場產品拘束狀態，并在焊接過程中實施層間PT和在最終焊縫上進行金相檢測等方式來檢驗焊縫是否存在熱裂紋。在焊接過程中我們將線能量和層間溫度均保持在參數的上限。另外，我們通過增加配重模擬焊接過程中的拉應力來模擬現場實際產品的焊接過程。

在焊接過程中對試驗管道進行配重以模擬產品焊接過程的拘束狀態，增加熱輸入以增大焊縫的熱裂紋傾向，在焊接過程中實施分層液體滲透檢測（PT）和在最終焊縫上進行10X宏觀金相和200X微觀金相進行檢驗，確認焊縫是否存在熱裂紋。具體實施如下。

a）焊接過程中進行分層PT；

使用316S93（N）C MIDI SPOOL焊絲完成第一道焊接后進行PT檢驗，之后每三層進行一次PT檢測，觀察裂紋情況。

b）在最終焊縫上進行宏觀金相檢驗；

在上述完成的主管道自動焊焊縫上取6個方向的宏觀（10X）和微觀金相（200X），微觀金相在每個宏觀金相試樣上截取包括熔敷金屬、熔合線和熱影響區（取樣位置如圖3所示），觀察最終確定是否存在裂紋。

c）配重試驗

試驗簡圖如圖4所示。龍門架是支撐，把整個裝置懸掛起來，上管段和下管段焊接在一起，吊索連接各個部件。

圖3 金相取樣位置圖

圖4 實驗示意圖

d）試驗過程

在焊接過程中實施分層PT，即用316S93（N）C MIDI SPOOL焊絲完成第一道焊接后進行PT檢驗，之后每三層進行一次PT檢測。由于焊接可能產生的熱裂紋包括液化裂紋和結晶裂紋，因此整個試驗過程分兩次進行。

結晶裂紋：產生于焊縫金屬結晶過程末期的“脆性溫度”區間，此時晶粒間存在著薄的液相層，因而金屬塑性極低，由冷卻的不均勻收縮而產生的拉伸變形超過了允許值時，即沿晶界液層開裂。

液化裂紋：主要產生于焊縫熔合線附近的母材中，有時也產生于多層焊的先施焊的焊道內。形成原因是由于在焊接熱的作用下，焊縫熔合線外側金屬內產生沿晶界的局部熔化，以及在隨后冷卻收縮時引起的沿晶界液化層開裂。造成這種裂紋的情況有二：一是材料晶粒邊界有較多的低熔點物質；另一種是由于迅速加熱，使某些金屬化合物分解而又來不及擴散，致局部晶界出現一些合金元素的富集甚至達到共晶成分。

e）試驗結果；

對結晶裂紋和液化裂紋分別進行了試驗，PT檢測和金相檢測均未發現裂紋，結果合格。

圖5 MA1-MA6金相試驗

3.2 晶間腐蝕試驗

根據標準RCC-M要求，熔敷金屬晶間腐蝕試樣需要在向上立焊和向下立焊位置分別取樣，取樣位置相差180 °。另外，在晶間腐蝕前需先進行敏化處理（在5 min內，加熱到725±10 ℃，保溫30 min，然后以60±5 ℃/h的速度冷卻到500 ℃，之后空冷）。試驗結果均為無晶間腐蝕傾向。

綜上所述，此316S93（N）C MIDI SPOOL焊絲與自動焊工藝和主管道匹配良好，不產生熱裂紋傾向和晶間腐蝕傾向。

3 自動焊焊接接頭與手工焊焊接接頭性能比較

對比手工電弧焊和自動焊的金相和工藝評定性能數據，自動焊焊接接頭的熱影響區比焊條電弧焊更小，焊縫更加致密，且自動焊焊接接頭的熔敷金屬延伸率和接頭沖擊性能比手工電弧焊提高約20%。

4 結語

通過對焊接填充材料中微量元素的分析，在ER316L焊絲的基礎上，研究出與窄間隙自動焊技術相匹配的316S93（N）C MIDI SPOOL焊絲。通過大量工藝性能、熱裂紋和晶間腐蝕等實驗分析焊絲與工藝的匹配性及焊接接頭的理化性能實驗，證明該焊絲不但與窄間隙自動焊工藝相匹配，而且雜質少、純凈度高、焊接流動性好，利于焊縫成形和提高焊縫接頭質量。