SA738 Gr.B鋼使用機械自動橫焊（GMAW）焊接工藝研究

王猛++王增高++王剛++修延飛

摘 要：SA738 Gr.B鋼是某核電建設的重要材料之一，針對SA738 Gr.B材料的物理化學性能，采用機械自動橫焊（GMAW），選用合理的焊接材料，調整焊接工藝和技術措施，嚴格控制預熱溫度、層間溫度、后熱溫度和熱處理溫度，焊后對焊接接頭的物理化學性能進行分析得出，焊接接頭及熱影響區都具有與母材相同或相近的物理化學性能，通過焊接工藝試驗，驗證了機械自動橫焊（GMAW）焊接SA738 Gr.B材料的可行性和有效性，為某核電現場使用機械自動橫焊（GMAW）提供了依據。

關鍵詞：SA738 Gr.B鋼；核電；焊接；機械自動橫焊

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.15.080

1 前言

鋼制安全殼（CV）是某核電第三層保護屏障，安全殼的整體是由5段拼裝而成，其中CV筒體是由3段拼裝而成，其分別為CV第1段筒體、CV第2段筒體和CV第3段筒體。CV筒體板材質均為SA 738 Gr.B、內徑為43m。 CV第1環筒體由5圈環板拼裝組成，第一圈環板（CY1）壁厚為55mm，其余壁厚均為52mm；CV第2環筒體由4圈環板拼裝組成，其壁厚均為52mm；CV第3環筒體由2圈環板拼裝組成，其壁厚均為52mm。某核電安全殼環與環，圈與圈的拼接是通過焊接手段實現的。

CV筒體縱焊縫共計132條、環焊縫共計12條，考慮到手弧焊（SMAW）操作方便、使用靈活、適應性強等優點，CV筒體縱焊縫和環焊縫都是選用手弧焊工藝，但是手弧焊焊接速度較慢并且為了保證工期要求投入的焊工人數較多。

CV筒體環焊縫共計12條，每一條環焊縫長度為135m，這就決定了使用手弧焊焊接工期較長；同時由于焊工的焊接手法和焊接水平有優劣之分，進而不能保證環焊縫焊接質量的均勻性。自動焊焊接速度塊，焊接受人為因素影響較小，焊接質量較均勻，可以判斷自動焊可以擬補手弧焊的不足，因此研究自動焊焊接工藝有重要意義。

2 焊接材料的選擇

CV筒體板材質為SA 738 Gr.B，厚度為52～55mm，根據焊接材料選用原則，應根據SA 738 Gr.B鋼的化學成分，力學性能、焊接性能并結合壓力容器的結構特點、使用條件及焊接方法綜合考慮選用焊接材料，并要保證焊接接頭的性能等于或高于母材SA 738 Gr.B鋼的力學性能，根據上述原則并參考ASME第II卷A篇SA 738 Gr.B的物理化學性能及ASME第II卷C篇相關焊材的物理化學性能，焊材選取ER90S-G， φ1.2mm，實心焊絲，母材及所選用的焊材在使用前，需復驗并且合格才可以使用，表1為SA 738 Gr.B鋼與ER90S-G焊絲力學化學性能對照，通過對照分析，確定的焊材ER90S-G符合上述焊材選用原則。

3 坡口準備與焊接

為了模擬產品接頭形式，采用X型坡口對接接頭形式，坡口組對、焊接位置及焊道分布如圖1所示，板材厚度為52mm；坡口角度為50°，相對手弧焊坡口角度較小，能保證焊接速度和減小變形；鈍邊為2mm，打底過程中能避免根部燒穿；根部間隙為3mm，能保證焊縫打底時充分熔透母材，試板坡口的各部分尺寸與實際產品保持一致。采用多層多道焊焊接，在焊接過程中對每道焊縫中的缺陷及時打磨處理，確保焊縫質量。

工藝試驗的試板規格為600×150×52mm，試板焊接采用自動焊橫焊工藝，考慮到焊接過程中有一定的收縮量，組對前對試板進行1°～2°的反變形，焊接過程中預熱溫度為100℃以上，層間溫度控制在200℃以內，焊接工藝參數參考表2。

4 試板熱處理

由于自動焊焊接速度快，為了保證焊接質量，防止產生冷裂紋，參考標準NB/47015相關要求，試板焊接完成后，及時進行后熱，后熱溫度為200℃-350℃，保溫時間不低于30分鐘，后熱溫度控制采用紅外測溫儀或其他方式進行過程監控。

為保證試板的焊接過程與實際產品焊接過程完全相符，在焊接完成后48h，需對焊接試塊進行無損檢測，無損檢測合格后，根據ASME 第III卷NE分卷的要求對于板厚大于44.5mm的SA738 Gr.B需進行焊后熱處理，熱處理升溫降溫速率在425℃以下不作要求，在425℃以上升溫降溫速率小于110℃/h，保溫溫度為595～620℃，保溫時間2.5h，熱處理曲線見圖2。

5 無損檢測

熱處理完成后同樣需要在48h后，再對試板進行目視、滲透和射線檢測，熱處理前后的焊縫都應滿足JB4730一級焊縫的要求，檢驗結果見表3。

通過對熱處理前后焊接試塊的檢測，試塊焊接前后目視、滲透和射線檢測合格，符合一級焊縫的的要求。

6 焊接試板取樣及理化性能分析

6.1 焊接試板取樣

根據某核電的相關技術要求，焊接試板熱處理完成NDE檢測合格后需驗證焊接接頭的物理化學性能是否符合技術要求，拉伸試樣、沖擊試樣、彎曲試樣和化學分析試樣取樣位置圖見圖3，根據 ASME第IX卷及ASME第III卷NE分卷相關要求進行試樣的尺寸加工。

室溫拉伸、彎曲及沖擊試驗按AWS B4.0M要求進行，高溫拉伸試驗按ASTM E21要求進行，化學分析試驗按ASTM A751的要求進行。

焊接的試板需預留一部分，當加工的試樣試驗不合格時，如果可以判定試樣失敗的原因與焊接參數無關時，可以在預留部分重新取樣以代替失敗的試樣。

6.2 理化性能分析

力學性能試驗結果見表4，橫向側彎試樣按AWS B4.0M要求進行檢測，壓頭直徑為4倍的板厚，彎曲180°后，檢查受拉面及熱影響區不能出現裂紋，對由于氣孔及夾渣引起的單個開口缺陷，長度不得超過3mm，通過側彎試驗試樣焊縫及熱影響區沒有出現裂紋 ；室溫拉伸試樣抗拉強度、屈服強度和斷后伸長率的試驗值大于母材標準的規定值，可知焊接接頭拉伸符合要求；150℃高溫拉伸抗拉強度和屈服強度的試驗值大于某核電的技術要求值（抗拉強度540MPa，屈服強度360MPa），150℃高溫拉伸試驗合格；某核電的技術規格書要求焊接接頭的沖擊試驗每組的三個試樣的平均值不小于54J，單個試樣的最低值不小于47J，且一組3個試樣中只允許一個試樣吸收功小于54J，但不低于47J，表4可以看出-29℃和-45℃沖擊試樣的單個沖擊值都在100J以上，可以判定，焊接接頭的沖擊性能符合要求。

化學性能試驗結果見表5，化學分析結果均在規定的范圍內，其結果合格。

7 結論

（1）通過對SA738 Gr.B鋼使用機械自動橫焊（GMAW）焊接的工藝試驗，并且焊接的試板物理化學性符合規定要求，證明了機械自動橫焊在SA738 Gr.B板焊接的可行性，為某核電現場制定機械自動橫焊工藝和為自動橫焊工藝的推廣有很好的指導作用。

（2）根據SA738 Gr.B的物理化學性質，采用焊前預熱、合理選擇焊接材料、焊接工藝參數、熱處理規范，焊接接頭的性能達到標準要求，很大程度上防止焊后缺陷的出現。

（3）坡口角度為50°，鈍邊為2mm，根部間隙為3mm，焊接接頭無損檢測未出現未熔合及裂紋等缺陷，表明坡口設計符合機械自動橫焊（GMAW）焊接的要求。

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