20鋼熔化襯墊自動焊工藝研究及力學性能分析

羅瑞強，賈世進，姜佳成，梁瀟茹，劉金平，吳闖，馬明豪，陳鵬

1.核工業工程研究設計有限公司

2.中核集團高效能化焊接重點實驗室 北京 101300

3.中國核電工程有限公司 北京 100840

1 序言

隨著科技的不斷發展及人力成本的增加，焊接新技術被廣泛應用于核電安裝領域薄壁小管道的焊接中[1]。其中，全位置TIG自動焊技術因具有焊接質量高、焊接速度快等優勢，在該領域得到了廣泛應用。然而，全位置自動焊打底在仰焊位置受重力影響，易出現焊縫內部凹陷缺陷[2]，這一難點仍然制約著該技術的大規模推廣。為解決這一問題，目前國內外除了研究常規工藝影響因素外，還提出了增加熔化襯墊環[3]來解決仰焊位置凹陷的方法。常見的熔化襯墊環內徑均小于母材管徑，可在打底焊中完全熔化，解決仰焊位置凹陷問題。張小強等[4]已經成功將銅襯墊自動焊接成功應用于長輸油氣管道，鹿鋒華等[5]則對X65鋼銅襯墊焊后接頭性能研究表明，采用鋼銅襯墊焊接接頭的一次合格率高達92%，具有穩定的可靠性。20鋼的碳當量[6]為0.26%＜0.40%，具有淬硬性較小，焊接性良好，焊接時不需要預熱、控制層間溫度或后熱，整個焊接過程不必采取特殊的工藝措施，焊后的接頭塑性和沖擊韌度良好，以及無回火脆性等優點。20鋼作為核電堆中常見的材料之一，在核工業中具有廣泛的應用。然而，傳統的自動焊焊接技術往往會導致焊縫凹陷等問題，不符合核工業的質量要求。

為解決以上問題，本研究將針對20鋼進行研究，采用熔化襯墊自動焊工藝來實現焊接。該技術在焊接過程中可實現熔化襯墊的自動補償，從而可有效避免焊縫凹陷等質量問題。為了驗證該技術的效果，本研究將對焊縫進行性能測試和分析。通過本研究，希望能夠探索和應用新型的焊接工藝技術，提高20鋼焊接效率及質量，滿足核工業的高品質要求。這一研究成果對于核工業在焊接領域的技術提升和推廣具有重要的意義。

2 試樣材料及加工方法

研究用母材型號為GB/T 3087—2022《低中壓鍋爐用無縫鋼管》規定的20無縫鋼管（以下簡稱20鋼），規格為φ60mm×4mm，其主要化學成分見表1。對母材進行力學試驗和布氏硬度檢測，結果見表2。從表2可知，母材的硬度為156HBW。

表1 20鋼管化學成分（質量分數） （%）

表2 20鋼管室溫力學性能

焊接方法為加熔化襯墊自動焊，對母材背面進行充氬保護。焊前需對坡口表面進行徹底清潔，包括管道內外表面至少25mm的區域，接頭所有部分都應使用適當的溶劑（試驗選用丙酮）進行清洗，以確保無油脂污染。清潔完成后采取堵頭密封等措施保持鋼管在焊前的清潔度。

使用的打底熔化襯墊是放置在焊縫根部進行填充的金屬材料，它將在打底焊接過程中與焊縫根部完全熔合，成為焊縫的一部分。此熔化襯墊環參照AWS A5.30/A5.30M：2007《自耗嵌塊規范》進行選用，采用20鋼通過數控銑床加工而成，規格尺寸要求如圖1所示。

圖1 熔化襯墊環加工規格尺寸

3 焊接工藝開發

3.1 打底焊接

焊接電流和焊接速度是相互關聯的參數，它們一起控制著焊接熱輸入的大小。通過前期的大量試驗，得到了一組合格的峰值電流133A、基值電流47A（電流調整量為100%，后文電流按此關系換算），以及與其搭配的峰值行走速度30mm/min，基值行走速度35mm/min。在此基礎上，采用單一變量法來研究熔化襯墊環打底焊過程中焊接電流和焊接速度的合理范圍及其最優參數。

（1）焊接電流 焊接電流是決定焊縫成形質量的關鍵因素。因此，選取了同一峰值行走速度30mm/min，基值行走速度35mm/min，并分別調整電流為98%、99%、100%、101%和102%進行搭配焊接，以研究焊接電流對熔化襯墊環打底的焊縫宏觀形貌的影響。不同焊接電流打底焊縫成形宏觀形貌如圖2～圖6所示。由圖2a、b可知，當焊接電流調整量為98%時，焊接從4點鐘位置開始出現熔化襯墊環斷續性未熔化，打底焊縫不合格。由圖3～圖5可看出，熔化襯墊環熔化完全，焊接成形良好，無目視可見凹陷；當焊接電流調整量為101%時，可觀察有輕微凹陷。經測量，上述3組電流打底焊接后6點鐘位置凹陷分別為0.15mm、0.1mm、0.3mm，滿足核電站建造標準，打底焊縫合格。目前，在建核電主要堆型采用RCC-M—2007《壓水堆核島機械設備設計與建造規則》對焊縫的內凹要求：若接頭為水平對接（5GT），則在仰焊位置允許有≤0.5mm的內凹。由圖6可知，當焊接電流調整量為102%，焊接至7點鐘位置時焊漏，打底焊縫不合格。

圖2 焊接電流調整量為98%時打底焊接成形宏觀形貌

圖3 焊接電流調整量為99%時打底焊接成形宏觀形貌

圖4 焊接電流調整量為100%時打底焊縫成形宏觀形貌

圖5 焊接電流調整量為101%時打底焊縫成形宏觀形貌

圖6 焊接電流調整量為102%時打底焊縫成形宏觀形貌

綜上所述，在焊接峰值行走速度為30mm/min、基值行走速度為35mm/min下，當焊接電流調整量為99%～101%時，熔化襯墊環打底焊接的焊縫成形合格。同時，當焊接電流調整量為100%時，焊接6點鐘位置的凹陷最小，因此焊接電流調整量為100%是該速度下熔化襯墊環打底焊接最優的焊接電流參數。

（2）焊接速度 在焊接電流調整量為100%時，選取表3中5組焊接速度進行研究，觀察其焊接過程及焊后成形，并得到焊接速度對熔化襯墊環打底的焊縫宏觀形貌的影響。由表3可知，當焊接電流調整量為100%時，為了保證焊接仰焊位置凹陷滿足核電建造要求，峰值行走速度應控制在30～35mm/min，基值行走速度應控制在35～40mm/min。同時，為了盡量保證焊接熱輸入，推薦選擇峰值行走速度30mm/min和基值行走速度35mm/min。經過試驗，得出焊接電流調整量為100%時，焊接速度的最佳工藝為峰值行走速度30mm/min和基值行走速度35mm/min。

表3 不同行走速度下打底焊接過程及成形記錄

3.2 蓋面焊接

對于試驗管道的蓋面焊接，可以采用牌號CHW-50C6、直徑為1.0mm的焊絲，并采用分5個區間的脈沖電流加擺動送絲的焊接工藝進行焊接，焊縫成形宏觀形貌如圖7所示。從圖7可看出，其內部成形良好，無凹陷，外部焊縫高于母材表面，且無肉眼可見的缺陷，滿足焊縫外觀檢測要求。

圖7 蓋面焊縫成形宏觀形貌

4 焊縫力學性能及微觀結構

打底、蓋面焊接完成后進行力學性能試驗，焊縫的力學性能數據見表4。試樣拉伸斷裂位置如圖8所示。同時，從圖8可清晰地看出，斷裂發生在母材區域，表明所得到的焊縫符合各項要求。

圖8 拉伸斷裂位置

表4 焊縫力學性能

對編號LX-CS-MA-01試樣進行金相觀察，結果如圖9所示。由圖9可知，焊縫和熱影響區微觀組織中未出現顯微裂紋和沉淀物，因此可以斷定此工藝下的焊縫組織穩定。

圖9 焊縫的宏觀形貌及微觀組織

5 結束語

本文通過對20鋼加熔化襯墊自動焊的工藝進行研究與性能分析，得出如下結論。

1）通過增加熔化襯墊環可以解決全位置管道自動焊仰焊位置凹陷的問題，為后續的核電建造大范圍應用全位置自動焊技術建立技術儲備。

2）通過試驗研究，用合適的參數完成加熔化襯墊的20鋼自動焊焊接的焊接接頭性能滿足核電建設標準要求。