核島鋼襯里埋弧焊接頭組織和性能研究

黃清輝 項(xiàng)杰波

摘要：通過(guò)對(duì)P265GH鋼襯里板進(jìn)行較低熱輸入埋弧焊（SAW）雙面焊模擬預(yù)制拼接試驗(yàn)，重點(diǎn)研究了接頭的化學(xué)成分、顯微組織和力學(xué)性能。試驗(yàn)結(jié)果表明，鋼襯里板較低熱輸入SAW雙面焊工藝穩(wěn)定，焊接接頭性能滿(mǎn)足規(guī)范要求，論證了鋼襯里板較低熱輸入SAW雙面焊接工藝的可行性。針對(duì)鋼襯里工程預(yù)制拼接施工經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)了鋼襯里板SAW焊接施工注意事項(xiàng)，為后續(xù)鋼襯里拼裝施工質(zhì)量控制提供借鑒。

關(guān)鍵詞：核電站;P265GH鋼襯里板;埋弧雙面焊;顯微組織;力學(xué)性能

0 前言

核島鋼襯里[1-2]是核電站第三道安全屏障的重要組成部分，主要由P265GH鋼襯里板、背部L型鋼及錨栓等組成。鋼襯里板預(yù)制拼裝通常采用傳統(tǒng)焊條電弧焊（SMAW）雙面焊工藝，具有焊接施工效率低、打底焊縫質(zhì)量差、焊縫成形較差等缺點(diǎn)[3]，直接影響鋼襯里板預(yù)制拼接質(zhì)量。此外，傳統(tǒng)SMAW雙面焊接工藝需進(jìn)行焊縫背面清根及檢驗(yàn)，增加了鋼襯里板預(yù)制拼裝施工的繁瑣程度，影響了鋼襯里預(yù)制拼裝施工進(jìn)度。

埋弧焊（SAW）是一種電弧在焊劑層下燃燒進(jìn)行焊接的方法，具有焊接質(zhì)量穩(wěn)定、焊接生產(chǎn)效率高、勞動(dòng)條件好等優(yōu)點(diǎn)。SAW焊接工藝普遍應(yīng)用于核電站碳鋼及不銹鋼壓力容器的制造[4-5]。近年來(lái)，逐步開(kāi)展了SAW焊接工藝在核島安全殼施工中的應(yīng)用研究，如CAP1400鋼制安全殼厚板SAW橫焊工藝[6]和CPR1000安全殼鋼襯里陶瓷襯墊SAW自動(dòng)焊工藝[7]。鋼襯里SAW焊接工藝逐漸成為了當(dāng)前安全殼施工研究熱點(diǎn)之一。

傳統(tǒng)SAW焊接熱輸入大、大范圍返修難度大，且核島鋼襯里拼裝焊縫質(zhì)量要求高（RCC-M 01級(jí)）。為了有效降低焊接熱輸入并保證焊接成形及穩(wěn)定性，文中通過(guò)對(duì)P265GH鋼襯里板進(jìn)行了較低熱輸入SAW雙面焊模擬拼接試驗(yàn)，重點(diǎn)研究焊接接頭的連續(xù)性、化學(xué)成分、顯微組織和力學(xué)性能，有效論證了鋼襯里板SAW焊接工藝的穩(wěn)定性及接頭性能，并總結(jié)了鋼襯里板SAW焊接施工注意事項(xiàng)。

1 試驗(yàn)材料與方法

為確保一致性，試驗(yàn)材料選用P265GH板，尺寸6 mm×150 mm×800 mm，化學(xué)成分和力學(xué)性能如表1所示。埋弧焊焊絲型號(hào)H08MnHR（規(guī)格φ2.4 mm），焊劑型號(hào)SJ14HR，熔敷金屬化學(xué)成分如表2所示。焊接設(shè)備為L(zhǎng)INCOLN ELECTRIC。結(jié)合焊材卡片推薦和相關(guān)工藝試驗(yàn)，焊接試驗(yàn)參數(shù)如表3所示。為了有效降低焊接熱輸入及保證焊縫成形，采用SAW雙面焊工藝[8]，I型坡口，焊接位置均為平焊（PA）位置，坡口及焊道示意如圖1所示。SAW雙面焊接工藝流程為：坡口加工→打磨氧化膜→固定、組對(duì)→正面焊接→翻身、固定→背面焊接→焊后修磨。

焊接模擬試驗(yàn)完成后，依據(jù)RCC-G 86[9]、RCC-M 2007[10]和設(shè)計(jì)規(guī)范開(kāi)展了目視檢驗(yàn)（VT）、泄漏檢驗(yàn)（LT）、液體滲透檢驗(yàn)（PT）、射線(xiàn)檢驗(yàn)（RT）。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ISO 15614-1（2004）[11]和RCC-M 2007[10]制備了化學(xué)成分、宏觀/微觀金相、拉伸、彎曲、沖擊和硬度試樣，接頭性能試驗(yàn)取樣位置示意如圖2所示。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 接頭宏觀形貌

P265GH模擬試板組對(duì)確認(rèn)后，采用表3所示的焊接工藝參數(shù)進(jìn)行埋弧焊模擬試驗(yàn)。SAW焊縫接頭正面表觀形貌和橫截面宏觀形貌分別如圖3、圖4所示。由圖3、圖4可知，焊縫接頭成形良好，表面紋路均勻美觀，試樣表面及截面內(nèi)部未發(fā)現(xiàn)未焊透、未熔合、裂紋、氣孔、夾渣等低倍焊接缺陷，接頭熔合過(guò)渡區(qū)及焊道之間熔合良好。

2.2 接頭無(wú)損檢驗(yàn)

接頭進(jìn)行100%VT檢驗(yàn)、100%LT檢驗(yàn)、100% PT檢驗(yàn)、100%RT檢驗(yàn)，均未發(fā)現(xiàn)可記錄顯示，結(jié)果合格（符合RCC-M 2007一級(jí)焊縫驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)[10]）。

2.3 接頭成分分析

依據(jù)GB/T 223相關(guān)要求，對(duì)SAW接頭非稀釋區(qū)熔敷金屬進(jìn)行化學(xué)成分分析，如表4所示。經(jīng)對(duì)比測(cè)定值與規(guī)定值可知，SAW接頭非稀釋區(qū)熔敷金屬化學(xué)成分測(cè)定值均在規(guī)定值范圍內(nèi)，滿(mǎn)足要求。

2.4 接頭金相組織

根據(jù)GB/T 226[12]和GB/T 13298[13]相關(guān)規(guī)定，對(duì)SAW接頭PA試件實(shí)施微觀金相組織分析。SAW接頭微觀金相組織形貌如圖5所示。

由圖5可知，SAW接頭焊縫區(qū)組織為鐵素體+珠光體+貝氏體，未發(fā)現(xiàn)顯微裂紋及異常組織。SAW焊縫區(qū)晶粒尺寸約為20 μm，與SMAW接頭焊縫區(qū)組織晶粒尺寸相當(dāng)[14]。熔合區(qū)和熱影響區(qū)組織均為鐵素體+珠光體，且均未發(fā)現(xiàn)顯微裂紋及異常組織。SAW接頭熱影響區(qū)部分晶粒尺寸略有長(zhǎng)大（約為30 μm），與SMAW接頭熱影響區(qū)晶粒尺寸[14]相當(dāng)，且軋制流線(xiàn)型組織仍有一定保留。

2.5 接頭力學(xué)性能

焊接接頭的力學(xué)性能是接頭性能的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)[15]。依據(jù)RCC-M 2007[10]，分析SAW接頭的拉伸、沖擊、彎曲和硬度等力學(xué)性能，如表5所示。

與SMAW接頭[14]抗拉強(qiáng)度（Rm）對(duì)比，SAW接頭Rm均值為436 MPa，斷口均在母材區(qū)域，與SMAW接頭相當(dāng)，滿(mǎn)足規(guī)定要求（≥410 MPa）。

針對(duì)SAW接頭熱影響區(qū)試樣，分別進(jìn)行180°面彎及背彎（各2組試樣）試驗(yàn)，試件均未出現(xiàn)明顯開(kāi)裂等缺陷，滿(mǎn)足相關(guān)要求。

對(duì)SAW接頭焊縫區(qū)及熱影響區(qū)試樣分別進(jìn)行沖擊試驗(yàn)（各3組試樣）。SAW接頭焊縫區(qū)沖擊功均值為74 J（最低值62 J），滿(mǎn)足規(guī)定值要求。SAW接頭熱影響區(qū)沖擊功均值為102 J（最低值90 J），滿(mǎn)足規(guī)定值要求。

通過(guò)硬度試驗(yàn)可知，SAW接頭焊縫區(qū)、熔合區(qū)及熱影響區(qū)硬度值在125～168 HV10范圍內(nèi)，略低于SMAW接頭硬度[14]，滿(mǎn)足規(guī)定值≤380 HV10的要求。

綜上可知，SAW接頭力學(xué)性能與SMAW接頭力學(xué)性能相當(dāng)，滿(mǎn)足RCC-M 2007及相關(guān)規(guī)范要求。

3 注意事項(xiàng)

基于鋼襯里工程預(yù)制拼接施工經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)核島鋼襯里預(yù)制拼裝SAW焊接施工過(guò)程的質(zhì)量管控和注意事項(xiàng)匯總?cè)缦拢?/p>

（1）SAW焊絲偏移對(duì)焊縫質(zhì)量有較大影響[16-17]，若焊接過(guò)程中存在焊絲偏移問(wèn)題，易出現(xiàn)大面積未焊透、未熔合等缺陷。為了有效避免焊絲偏移問(wèn)題，施焊前應(yīng)進(jìn)行焊接機(jī)頭空走調(diào)整，施焊過(guò)程中應(yīng)及時(shí)檢查糾偏。

（2）某核電站鋼襯里SAW焊接過(guò)程中曾大面積出現(xiàn)氣孔或鏈孔等焊接缺陷，導(dǎo)致鋼襯里拼接縫的割縫與重焊。經(jīng)排查分析，焊接過(guò)程中電弧電流/電壓波動(dòng)是導(dǎo)致焊縫氣孔或鏈孔缺陷大量出現(xiàn)的主要原因。通過(guò)調(diào)整焊接用電時(shí)段和焊接行走軌道的平整度，全面確保了焊接電流/電壓的穩(wěn)定性，有效控制了大面積氣孔或鏈孔焊接缺陷。此外，也應(yīng)關(guān)注焊接氣孔類(lèi)缺陷產(chǎn)生的其他原因，如焊接電流過(guò)小、焊接速度過(guò)快、焊劑吸潮、焊劑覆蓋不足、待焊表面清潔度不滿(mǎn)足、車(chē)間濕度超標(biāo)等。

（3）SAW自動(dòng)焊接工藝參數(shù)控制對(duì)于焊縫成形質(zhì)量具有較大影響[18]。施焊時(shí)應(yīng)嚴(yán)格按照經(jīng)評(píng)定的工藝參數(shù)執(zhí)行，確保焊縫成形質(zhì)量。

（4）針對(duì)SAW自動(dòng)焊缺陷及返修難度情況，應(yīng)及時(shí)開(kāi)展焊縫無(wú)損檢驗(yàn)及焊接質(zhì)量趨勢(shì)分析，以進(jìn)行施工過(guò)程中的風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別和及時(shí)糾偏。

4 結(jié)論

針對(duì)核島鋼襯里P265GH鋼板SAW雙面焊模擬試驗(yàn)，經(jīng)外觀檢驗(yàn)、無(wú)損檢驗(yàn)、化學(xué)成分、金相組織和力學(xué)性能分析可知，SAW接頭性能滿(mǎn)足RCC-M 2007及相關(guān)規(guī)范要求。核島鋼襯里預(yù)制拼接SAW雙面焊工藝穩(wěn)定，焊縫接頭質(zhì)量可控，可有效解決鋼襯里預(yù)制拼接施工質(zhì)量和進(jìn)度難題。

基于核島鋼襯里板SAW焊接施工常見(jiàn)缺陷，結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)總結(jié)了核島鋼襯里SAW焊接相關(guān)施工過(guò)程質(zhì)量管控措施和注意事項(xiàng)，如焊接前空走、穩(wěn)定弧壓、過(guò)程糾偏、及時(shí)開(kāi)展無(wú)損檢驗(yàn)及質(zhì)量趨勢(shì)分析等管控措施，為后續(xù)鋼襯里焊接施工質(zhì)量控制提供了借鑒。

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