核電結構件焊接工藝與防變形控制

成志凱

摘要：由于傳統能源（煤炭、石油、天然氣等）是不可再生的，只會越來越少，因而世界各國大力提倡發展可再生的新能源，核能設備中關鍵結構件的精度要求很高，大多是焊接而成，由于不均勻加工與冷卻、焊接殘余應力對整體尺寸的不利影響等因素，極易產生裂紋、層間未熔合及焊接變形等，嚴重影響核電設施功能發揮及安全。本文基于核電工程建設經驗，對核電結構件焊接工藝與防變形控制進行分析研究，得出結論。

關鍵詞：核電結構件;焊接工藝;防變形

前言

核電作為可再生的新型能源在世界各國得到大力發展，其中的結構件焊接質量要求很高，針對極易產生焊接裂紋、層間未熔合及焊接變形等難題，提出了“預熱緩冷、低氫焊條、堿性焊劑、單面焊雙面成形”的焊接方法和防變形技術，結果表明，可大幅減少焊接殘余應力，最大程度地減少了核電結構件產生裂紋、未熔合及焊接變形等，焊接質量顯著提高。

1 焊接材料及工藝的確定

1.1 焊縫收縮分析

焊縫收縮有縱向與橫向收縮變形2種形式，無論是哪種形式的收縮變形，都與焊接材料、焊接方法有關。據有關文獻分析，焊接工藝中影響焊縫收縮量有如下因素：

（1）線膨脹系數。線膨脹系數越大的材料，焊縫收縮量越大。

（2）焊縫越長，縱向收縮量越大。

（3）間斷焊縫比連續焊縫的收縮量小。

（4）角焊縫橫向收縮比對接焊縫橫向收縮小。

（5）對于多層焊，第1層引起的收縮量最大，以后各層逐漸減小。

（6）焊接時，增加了約束條件，焊接收縮量可減小40%～65%。

（7）焊角越大，角變形量越大。

構件的長度、橫截面面積與焊縫截面積對縱向收縮量有直接的影響，只有正確地選擇焊接方法及材料，才能保證焊縫質量和制造周期，而且還能提高焊縫的合格率，并且能有效地減少返修量，在選擇焊接方法及材料時，要綜合考慮焊縫縱向、橫向收縮變形的各種影響因素。

1.2 焊接材料的選擇

焊接材料的類型及規格應根據核電產品的結構特點、主體材料類型（結構件主要材料基本為碳鋼、低合金鋼、不銹鋼）、技術條件、車間的生產設備及由這些條件確定的焊接工藝而定。施焊過程中，采用U形坡口形式，依據等強性原則，按母材選擇用于核電結構件的焊接材料，在符合焊接工藝的同等條件下，選擇普通碳鋼焊絲的熱輸入≤37kJ/mm，藥芯焊絲（E71T-1）的熱輸入≤4.5kJ/mm。這樣，藥芯焊絲焊接的焊縫，橫向收縮量大大小于普通碳鋼焊絲焊接的焊縫橫向收縮量。其焊縫抗拉強度應不小于母材標準抗拉強度規定的下限。

1.3 預熱緩冷處理

施焊過程中產生的氫會致工件產生裂紋，因此，要進行焊前預熱、焊后“消氫”緩冷處理。對于重要結構件、合金鋼及厚度較大的部件，要求在焊前必須預熱，以減小焊縫內應力，減小焊接區域內被焊工件之間的溫差，一方面減小了焊接應力，另一方面降低了焊接應變速率，避免產生焊接裂紋。

1.4 溫度選擇

預熱溫度和道間溫度的選擇不僅與鋼材和焊條的化學成分有關，還與焊接結構的剛性、焊接方法、環境溫度等有關，應綜合考慮這些因素后確定。另外，預熱溫度在鋼材板厚方向的均勻性和在焊縫區域的均勻性，對減小焊接應力有著重要的影響。局部預熱的寬度，應根據被焊工件的拘束度而定，一般應為焊縫區周圍各3倍壁厚，且不得小于150～200mm。如果預熱不均勻，不但不能減小焊接應力，反而還會出現增大焊接應力的情況。

焊接前的最佳預熱溫度是125～175℃，各道工序間溫度控制在預熱溫度以上，進行中小規模多層多道焊接，焊接熱輸入控制在20～35kJ/cm內，并進行605～635℃的焊后熱處理。其目的有3個：消氫、消除焊接應力、改善焊縫組織和綜合性能。焊后熱處理一般選用單一的中高溫回火或正火加高溫回火處理。

1.5 采用單面焊雙面成形技術

這種焊接技術是采用普通焊條，以特殊的操作手段，在坡口的正面進行焊接，焊后保證坡口正反面都能得到成形焊縫。該焊接成形技術，是核電、鍋爐、壓力容器焊工必須熟練掌握的操作技能。在焊接操作過程中，不需要采取任何輔助措施，針對不同的操作手法，只需在坡口根部留出不同間隙，當在坡口的正面用普通焊條進行焊接時，就會在坡口的正反兩面都能得到勻稱、成形良好的焊縫，其方法主要有斷弧焊法和連弧焊法。

2 防變形控制

2.1 防止核電機座變形的幾點措施

（1）重新布置板縫

板縫的布置是根據結構設計和板材的規格來決定的。實際采購的板材規格有時與設計規格有所不同，需要重新布置板縫，并進行優化排列，以減小焊接引起的結構變形。

（2）薄板預先矯正

薄板的預先矯正，可采用多軸輥式矯平機進行矯平，主要是矯平波浪性變形。

（3）改進現有焊接工藝

采用高效、全方位的CO2氣體保護焊，可以有效降低核電鋼結構焊接變形。通過一系列焊接工藝試驗及評定，采用鎢極氬弧焊（TIG焊），由于鎢極氬弧焊的熱輸入量最低，因此避免了常見焊接缺陷的出現;其次，在焊接過程中，采用“多次翻身、等量交錯”的方式進行施焊，從而使得焊接應力能盡可能地均勻分布;同時還采用了背冷法，避免了工件可能出現的“鍋底”形變形。

2.2 防止產生焊接裂紋的主要對策

2.2.1 防止產生熱裂紋主要對策

（1）嚴格控制有害雜質C，S，P的含量;（2）嚴格控制焊縫截面形狀，避免截面突變;（3）施焊后暫緩清理焊渣;（4）降低焊縫的冷卻速度，以減小焊接應力。

2.2.2 防止產生冷裂紋主要對策

（1）選用堿性焊條，并在施焊前對焊條進行烘干處理;（2）焊前對工件表面進行清理;（3）選用合理的焊接工藝參數和施焊程序;（4）對淬火傾向大的鋼材，應采取預熱、緩冷或焊后熱處理等措施。

3 結語

“預熱緩冷、低氫型焊條、堿性焊劑、單面焊雙面成形”的焊接方法和防變形措施用于核電、化工、壓力容器等結構件的焊接，特別是核電大型碳鋼及不銹鋼結構件、大型低合金管件、大型不銹鋼管件等產品上，解決了制約產品質量、生產進度的技術瓶頸，經使用表明：該項研究成果工藝規范、可操作性強、焊接質量穩定可靠，收到了很好的應用效果。

參考文獻：

[1]李善春，郭福平，王為松.壓力管道泄漏聲發射監測試驗研究[J].無損檢測，2007，29（2）：74-79.

[2]焦敬品，何存富，吳斌，等.管道超聲導波檢測技術研究進展[J].實驗力學，2002，17（1）：1-9.

（作者單位：上海核工程研究設計院有限公司）