自动钨极氩弧焊在大型阀件上的应用.pdf

一 1 2 ～ 阀 门 2 0 0 9 年第3 期 文章编号 1 0 0 2 - 5 8 5 5 2 0 0 9 0 3 4 1 0 1 2 - 0 5 自动钨极氩弧焊在大型 阀件上的应用 苏志东 ， 包恩达 ， 杨伟 。 蒋涛 。 王兵‘ 。 纪顺红。 1 ．沈阳盛世高中压阀门有限公司， 辽宁 沈阳 1 1 0 1 4 2 ； 2 ．中国人民解放军驻沈阳军事代表局． 辽宁 沈阳 1 1 0 1 4 2 摘要叙述 了奥氏体不锈钢的焊接性 ， 通过几种焊接工艺方法的对比试验 ， 选择 自动钨极氩弧 焊焊接大型阀件 ， 经过焊接工艺评定 ， 焊制 出优质的 I级焊缝。 关键词核电站用阀； 阀体 ； 自动焊； 钨极情气保护焊； 氩弧焊； 焊接工艺评定 中图分类号 T G 4 5 6 文献标识码 A App l i c a t i o n o f a ut o ma t i c a r g o n t u ng s t e n- a r c we l di n g o n l a r g e v a l v e me m b e r s S U Z h i d o n g ， B A O E n d a 2 ， Y AN G 、 i ， ⅡA NG T a o ， WAN G B i n ， J ．I S h u n ． h o n g 1 ． S h e n y a n g S h e n g s h i H i g h a n d Me d i u m P r e s s u r e V a l v e C o ． ， L t d ． S h e n y ang 1 1 0 1 4 2 ， C h i n a ； 2 ． Mi l i t a r y R e p r e s e n t a t i v e B u r e a u R e s i d e d i n S h e n y ang o f P L A， S h e n y ang 1 1 0 1 4 2 ， C h i n a Ab s t r a c t Di s c us s e s we l d a b i l i t y of a u s t e n i t i c s t a i n l e s s s t e e l ，t h r o u g h c o n t r a s t t e s t on a f e w k i n d s o f we l d i n g p r o c e du r e s ， s e l e c t s a u t o ma t i c a r g on t un g s t e n a r c we l d i n g t o we l d o n l a r g e v a l v e me mb e r s， b y we l d i n g p ro c e d u r e q u a l i fic a tio n， h i g h q uali t y g r a d e 1 we l d s e a m i s ma de ． Ke y wor d sv a l v e s f o r n u c l e a r p owe r s t a tio n； b o d y；a u t o ma ti c we l d i n g； tun g s ten e l e c t r o d e i n e r t g a s s h i e l d e d a l e we l d i n g； a r g o n arc we l din g； we l d i n g p r o c e d u r e q u a l i fi c a t i o n 1概述 核电站一回路系统中应用的阀f - k k都要求具有 较高的安全等级、 高温高压性能参数、 相应的耐腐蚀 性能和至少3 0 a 的使用寿命。这些阀门的阀体 壳 体 一般采用整体锻造制成， 但有的阀体受内腔加 工或其他因素限制 ， 则采用组焊结构 。组焊结构 的 阀门对焊缝质量要求极为严格， 其焊缝内部不得有 超过标准要求的缺陷， 熔敷金属应具有同基体材料 一 样 的化学成分和金相组织 ， 焊缝 的力学性 能和耐 腐蚀性能必须达到基体材料的性能指标。这就要求 选择适宜的焊接工艺方法 ， 按照标准要求进行 焊接 工艺评定以确定焊接工艺参数 ， 再通过精心的焊接 施工， 焊制出符合要求的合格产品。 - 2阀件材料 按照产品的工况系统要求 ， 核 1级阀门产品依 据法国标准 R C C M 压水堆核岛机械设备设计建 造规则 进行设计制造。阀体和接管均为奥氏体不 锈钢锻件， 其技术要求参照 R C C M M3 3 0 1 ， 选用 等效 J B 4 7 2 8 2 0 0 0中钢号 0 C r l 8 N i l 0 T i 材料 ， 其化 学成分和力学性能对照见表 1和表 2 。其阀体部件 是由阀体与两端接管焊接组成。阀体与接管连接采 用全焊透对接焊缝， 焊缝厚度7 0 m m， 为单面 u形坡 口。产品按照 R C C M 3 0 0 0进行焊接工艺评定， 焊缝全部进行射线、 超声波及渗透检验， 并达到 腰 4 7 3 0规定的 I 级焊缝要求。焊缝铁素体含量为4 ％ 一 1 2％ 。 ‘ 表 1 阀体部件材料化学成分 Wt／ ％ 注 锻件成分中不得有 z n 、 H g 、 s b 、 B j 、 C d 、 s n稀土金属及其化合物， 控制 c o ≤o ． 0 8 ， B≤ 0 ． 0 0 1 5 。 作者简介 苏志东 1 9 5 3 一 ， 男 ， 辽宁沈阳人， 高级工程师， 从事阀门制造工艺的研究。 2 0 0 9 年第3 期 阀 门 一 1 3 3 奥氏体不锈钢的焊接性 奥氏体不锈钢具有良 好的耐蚀性，较好的塑性 和高温性能，焊接性 良好。焊接奥氏体不锈钢时， 主要是其枝晶方向性强，线膨胀系数大，焊接冷却 时收缩应力大 ，容易出现热裂纹。当焊缝及热影响 区在 4 5 08 5 0 ℃温度保持一定 时间后 ，可能在晶 界会析出 C r 的碳化物，发生晶间腐蚀倾向。焊接 接头残余应力较大时 ，若在氯化物或氟化物等腐蚀 介质中工作 ，会产生应力腐蚀破坏现象 。 0 C r l 8 N i l 0 T i 钢是在 l 88系列奥氏体不锈钢 基础上加入 T i 元素 ，目的在于使 T i 优先与 C结合 而防止 C与 C r 结合 ，起到稳定化作用 ，从而避免 晶界缺 C r 而发生晶间腐蚀。由于 T i 在高温状态下 易氧化而烧损 ，而 N b与 T i 有相同作用 ，所 以常 在焊缝金属中加入 N b而代替 T i 。 焊缝 中 当铁 素 体 含 量 较 高 时 ，若 在 3 5 0 5 0 0 ℃温度 区间停 留数 十或 数百小 时 ，则 易 出现 “ 4 7 5 ℃”脆性。仃相析 出脆化发生在奥 氏体或奥 氏体 一 铁素体焊缝内，纯奥氏体 仃相析出的危险 温度为 6 5 0～7 0 0 ℃。盯相析 出会降低金属 的塑性 和韧性，促使产生晶间腐蚀。 由于奥氏体不锈钢的导热系数小，线膨胀系数 大， 焊接时变形倾向增大。同时其导电率小 即 电阻大 ，在焊接工艺上应尽量减小熔池过热 ，避 免形成粗大柱状晶 ，采用小线能量及小截面焊道是 有益的，减小焊接电流有利于提高焊缝抗裂性能。 4 几种焊接方法的比较 针对奥氏体不锈钢的焊接工艺特点，分别采用 了手工钨极氩弧焊、手工 电弧焊、熔化极氩弧焊 Mm方法在模 拟件上进行 了工艺试验，模拟件 焊接坡 口形式如 图 l所示，焊接位置为平位转动 1 G ，后两种工艺方法的打底焊均采用手工钨极 氩弧焊。 手工钨极氩弧焊的突出优点是焊接熔池保护 好，电弧稳定、没有熔渣， 焊接接头组织致密，综 合力学性能好，焊缝质量可靠。在焊接奥氏体不锈 钢时，焊缝耐腐蚀性特别抗晶问腐蚀性能较好，适 用于较薄工件的焊接。而焊接厚度7 0 m m的 I 级焊 缝 ，则焊工劳动强度大、效率低下 ，而且对焊工的 技能要求较高，焊接操作稍有不慎或不当，即会在 焊缝中产生超标缺陷。同时对焊缝的热输人增大。 图 1 模拟件焊接坡口 0 l ＼ R 4 、 争 图 2 窄间隙坡 口焊缝 手工电弧焊采用直流弧焊电源、反极性接法， A1 3 2电焊条 ，低热输入 ，多层多道焊 ，控 制层问 温度 ≤1 0 0 ℃。试验结果表明，手工电弧焊受焊条 质量和焊工技能影响，层间清渣处理不当，焊缝多 存在未熔合、夹渣、气孔等超标缺陷，焊缝合格率 较低。 熔化极氩弧焊 MI G具有熔敷效率高、热 输入小等特点， 是焊接奥氏体不锈钢较厚工件的推 荐方法之一 。该工艺采用纯氩做保护气 ，保护焊接 熔池不被空气氧化，在焊接过程中因液态不锈钢较 粘、钢水漫流滞后，夹杂物等上浮相对缓慢，易造 成焊波凹陷处时有夹渣、未熔合及气孔等缺陷。试 验表明，采用混合气保护熔池可改善钢水的流动 性，降低产生缺陷的几率，提高焊层的内在质量。 采用纯氩和分别加人 l ％、2 ％和 5 ％氧气的氩气为 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载 阀 门 2 0 0 9 年第3 期 保护气，进行焊接试验，射线检查焊缝内部缺陷。 试验结果 ，加 0 1 ％ 的焊 道 比纯氩 焊道 缺陷少 ， 而加 0 5 ％ 的焊道居 于上述两者 之 间。焊接施工 时 ，明显感觉加 0 5 ％的焊道 ，钢水流动性好 、电 弧稳定 、过渡形式是射流过渡 。而纯氩保护时钢水 较稠 ，电弧稳定性逊 于加 O 的电弧、过渡形式是 射流过渡为主，间有熔滴过渡。 熔化极氩弧焊焊枪 中的导电嘴 ，既传输焊接电 流又输送填充焊丝，焊接过程中导 电嘴的磨损直接 影响焊接电弧的稳定 ，而奥氏体不锈钢焊丝导电性 不好更加剧了这一点。焊接过程中的电弧不稳定和 导电嘴瞬 间导电不好 ，都 会造 成焊缝 中 “ 层 间” 或 “ 道间”未熔合。另外 ，在焊接试验件中还发 现焊缝中存在链状和蜂窝状密集性 气孔 的几率很 高。在 I 级焊缝 中任何形式 的未熔合、未焊透 ，链 状和蜂窝状密集性气孑 L 都是不允许的。 5 自动钨极氩弧焊的应用 自动钨极氩弧焊是利用 自动化专机使焊接全过 程全部实现自 动化，自动化专机融合了现代机械制 造技术 调频步进电机 、滚珠 丝杠等 和微机数 字化控制系统 ，使焊接操作过程智能化。所有焊接 参数包括焊接 电流 脉 冲 电流、基值 电流、脉 冲 时间、脉冲宽度、基值时间 、电弧电压 、送丝速 度、焊接速度、摆动频率、摆动宽度、摆动停留时 间、预通气时 间、热丝 电流、热 丝 电压 、电流衰 减、收弧电流、滞后停气时间、焊枪提升高度及焊 接接头搭接量等参数可按焊接层次预先设置和存储 5 0组 以上焊接参数 。在焊接过程 中焊接速度、 焊接电流、电弧电压、送丝速度、摆动频率、摆动 宽度及摆动停留时间能实时微调。焊接过程中的实 际焊接电流、电弧电压、热丝 电流 、热丝电压、旋 转角度等重要焊接参数能数值显示。焊接过程中电 弧电压反馈控制及焊缝 自动跟踪控制保证焊接过程 质量稳定 ，并通过电气和机械方法来消除焊接过程 中工件偏差对焊缝产生的影响。 由于自动化操作突破了人工操作的极限，使一 些受人肢体和视野限制而不可能实施的焊接操作变 成了可能，实现了不为人所能，即只要想得到就能 做得到。因此，对一些厚大工件的焊接设计 了窄间 隙坡 口焊缝 图 2 ，利用 专用 的焊枪 图 3 实 现了窄间隙焊接。焊枪结构设计合理， 设有尾气保 护，使熔敷金属的保护状态极佳，是其他焊接方法 所不及的。窄间隙坡 口焊缝 比原正 常坡 口焊缝金属 填充量减少了2 ／ 3 ，并显著提高了焊缝质量。在各 种焊接参数匹配合理的条件下，焊制出符合要求的 优质 I级焊缝 。 图 3 窄间隙焊枪 图 4 窄间隙坡口焊接 图5 打底焊缝的背面 图6 窄间隙焊缝表面 模拟试件 的焊接是焊枪 固定 ，驱动系统带动工 2 0 0 9 年 第3 期 阀 门 一 l 5一 件转动完成环缝的焊接。工件装卡在工作台上后， 焊机按预先设置的焊接参数完成打底焊。焊接开始 前，焊枪调整到预定高度，按预通气时间提前送气 和引弧 高频或接触 。电弧建立后一定时间，工 件开始转动，热丝同时送进 ，焊接过程开始。为使 焊缝起始处焊肉呈斜坡状，焊接 电流缓慢提升 缓变斜率 可调 ，送 丝速度 与其匹配缓慢提 高。 焊接电流可设置带或不带脉冲，脉冲参数可调。送 丝可设置冷丝或热丝 ，热丝 电流可调 。焊接过程 中，通过电弧电压反馈控制 A V C控制系统 及 焊缝 自动跟踪系统保证焊接过程的稳定。可连续多 层焊，焊缝换层时钨极自 动抬高换层，并根据环形 焊缝外径的变化自动调整焊接线速度。焊接过程结 束时 可根据旋转角度设置搭接长度 ，热丝停止 输送，转台继续转动，同时焊接电流按预设衰减。 电弧熄灭后 ，焊枪停在焊缝中间位置，转台停止， 氩气保护延迟停止 ，焊枪复位。 自动钨极氩弧焊焊接试件的控制程序范例见表 3 。 表 3 自动钨极氲弧焊焊接程序 示例 1 2 22 ． 5 s 3 4 气体 l 尾气 电弧电压 电流 电弧 电压 焊接气体 保护气体 接触工件 接触引弧 相对高度 标准 高度／ 速度 电流 缓变电流 热脉冲 7 6 O ． 5 s 电弧 电压 AV C灵敏度 电弧电压 A VC水平 脉冲基值 敏感 转动 向前旋转 缓变 无脉冲 电流 缓变电流 热脉冲 1 l 1 0 2 s 送丝 向前送丝 缓变 热脉冲 1 2 1 1 3 s 电流 缓变 电流 热脉 冲 1 3 l l 4 s 电弧电压 A V C 缓变 脉冲基值敏感 气体流量 气体流量 速度 引弧电流 高度 速度 缓变时间 电流 峰值脉 冲时间 基值 电流 基值脉 冲时间 灵敏度 阻断过量 最 大 AV C速度 电弧电压 缓变 时间 速度 缓变时间 电流 峰值脉冲时间 基值电流 基值脉冲时间 缓变时问 送丝速度 基值送丝速度 缓变时间 电流 峰值脉冲时间 基值电流 基值脉冲时间 缓变时间 电弧电压 2 5 ． O I ／ mi l l l 2 ． O 1 ／ rai n 3 0 0 mm／ mi n 5 O A 2 ． 0 mm 6 0 o mm／ mi n 1 ． 0 s 2 0 0 ． O A 2 0 0 ms 1 7 0 ． 0 A 3 0 0 f I l S 3 2 0 n l s 2 0 omm／mi n 9 ． 8 V 1 ． 0 s l 2 Omm／mi n 1 ． 0s 3 2 0 ． 0 A 2 O O ms 2 3 0 ． 0 A 3 0 o ms 1 0 s 1 2 o oram／rai n 8 0 0 mm／ mi n 1 ． 0s 3 6 o ． O A 2 5 0 ms 2 7 0 ． 0 A 3 0 o ms 3 ． 0s 9 ． 8 V l 2 3 4 5 6 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载 一 1 6 一 阀 门 2 0 0 9 年第3 期 6 焊接 工艺评 定 焊接工艺评定是按照据 R C CM 中 S 3 0 0 0的 要求 进行 的。该 标 准要 求 对试 件 的检验 项 目 比 A S ME I X卷和 J B 4 7 0 8焊接工艺评定标 准要求 的 多 ，是核电设备制造所推荐遵循的。 焊接工艺评定过程 1 按照 S 3 1 3 0的要求 ，编制焊接工艺评定 指导书。内容包括评定 的有 效范 围、试件坡 口形 式、试验和评定等级的有关准则、试样取样示意 图、焊道的分布及对每道所采用的焊接工艺、焊后 热处理要求等。 2 按照 s 3 1 4 3的要求 ，对评定用试件材料 、 填充材料和保护气体 ，进行验收试验。 3 按预拟 的焊接工艺规程进行试件焊接。 4 按 S 3 3 3 2 要求，对试件焊缝进行无损检 验。包括外观检验、射线检验。检验结果应达到 I 级焊缝要求。 5 按 S 3 3 3 3 要求， 对试件进行破坏性试验。 包括焊缝金属纵向拉伸试验、焊接接头横向 全 厚度拉仲试验、焊接接头横向弯曲试验 面弯、 背弯、侧弯 、冲击韧性试验 焊缝、母材、热影 响区 、焊缝金属化学成分分析、焊缝 中铁素体含 量测定 、焊缝金相检验 横截面 、焊缝及热影响 区晶间腐蚀试验。 6 按 S 3 3 3 4要求 ，对上述各项检验结果进 行评价 ，合格则工艺评定通过 ，评定的焊接工艺可 行。否则 ，应重新进行评定。 7结语 在模拟试件焊接的基础上， 选定最佳焊接工艺 参数，按 R C C M 3 0 0 0的要求进行了焊接工艺 评定 ，工艺评定各项检验合格。据此，自动钨极氩 弧焊成功地用于核 I 级阀门样机的焊接。焊接的产 品焊缝达到研制任务规定的要求。 参 考 文 献 [ 1 ] R C C M，压水堆核岛机械设备设计建造规则 [ s ] ． 【 2 ] J B 4 7 2 8 2 0 0 0 ，压力容器用不锈钢锻件 [ s ． [ 3 J B 4 7 3 0 2 0 0 5 ，承压设备无损检测 [ s ] ． [ 4 】 周振丰，张文铖．焊接冶金与金属焊接性 M] ．北京机 械工业出版社 ，1 9 8 7 ． ． 收稿 日期 2 0 o 9 ． o 2 ． O 1