SA738 Gr.B钢使用机械自动横焊（GMAW）焊接工艺研究

王猛++王增高++王刚++修延飞

摘 要：SA738 Gr.B钢是某核电建设的重要材料之一，针对SA738 Gr.B材料的物理化学性能，采用机械自动横焊（GMAW），选用合理的焊接材料，调整焊接工艺和技术措施，严格控制预热温度、层间温度、后热温度和热处理温度，焊后对焊接接头的物理化学性能进行分析得出，焊接接头及热影响区都具有与母材相同或相近的物理化学性能，通过焊接工艺试验，验证了机械自动横焊（GMAW）焊接SA738 Gr.B材料的可行性和有效性，为某核电现场使用机械自动横焊（GMAW）提供了依据。

关键词：SA738 Gr.B钢；核电；焊接；机械自动横焊

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

1 前言

钢制安全壳（CV）是某核电第三层保护屏障，安全壳的整体是由5段拼装而成，其中CV筒体是由3段拼装而成，其分别为CV第1段筒体、CV第2段筒体和CV第3段筒体。CV筒体板材质均为SA 738 Gr.B、内径为43m。 CV第1环筒体由5圈环板拼装组成，第一圈环板（CY1）壁厚为55mm，其余壁厚均为52mm；CV第2环筒体由4圈环板拼装组成，其壁厚均为52mm；CV第3环筒体由2圈环板拼装组成，其壁厚均为52mm。某核电安全壳环与环，圈与圈的拼接是通过焊接手段实现的。

CV筒体纵焊缝共计132条、环焊缝共计12条，考虑到手弧焊（SMAW）操作方便、使用灵活、适应性强等优点，CV筒体纵焊缝和环焊缝都是选用手弧焊工艺，但是手弧焊焊接速度较慢并且为了保证工期要求投入的焊工人数较多。

CV筒體环焊缝共计12条，每一条环焊缝长度为135m，这就决定了使用手弧焊焊接工期较长；同时由于焊工的焊接手法和焊接水平有优劣之分，进而不能保证环焊缝焊接质量的均匀性。自动焊焊接速度块，焊接受人为因素影响较小，焊接质量较均匀，可以判断自动焊可以拟补手弧焊的不足，因此研究自动焊焊接工艺有重要意义。

2 焊接材料的选择

CV筒体板材质为SA 738 Gr.B，厚度为52～55mm，根据焊接材料选用原则，应根据SA 738 Gr.B钢的化学成分，力学性能、焊接性能并结合压力容器的结构特点、使用条件及焊接方法综合考虑选用焊接材料，并要保证焊接接头的性能等于或高于母材SA 738 Gr.B钢的力学性能，根据上述原则并参考ASME第II卷A篇SA 738 Gr.B的物理化学性能及ASME第II卷C篇相关焊材的物理化学性能，焊材选取ER90S-G， φ1.2mm，实心焊丝，母材及所选用的焊材在使用前，需复验并且合格才可以使用，表1为SA 738 Gr.B钢与ER90S-G焊丝力学化学性能对照，通过对照分析，确定的焊材ER90S-G符合上述焊材选用原则。

3 坡口准备与焊接

为了模拟产品接头形式，采用X型坡口对接接头形式，坡口组对、焊接位置及焊道分布如图1所示，板材厚度为52mm；坡口角度为50°，相对手弧焊坡口角度较小，能保证焊接速度和减小变形；钝边为2mm，打底过程中能避免根部烧穿；根部间隙为3mm，能保证焊缝打底时充分熔透母材，试板坡口的各部分尺寸与实际产品保持一致。采用多层多道焊焊接，在焊接过程中对每道焊缝中的缺陷及时打磨处理，确保焊缝质量。

工艺试验的试板规格为600×150×52mm，试板焊接采用自动焊横焊工艺，考虑到焊接过程中有一定的收缩量，组对前对试板进行1°～2°的反变形，焊接过程中预热温度为100℃以上，层间温度控制在200℃以内，焊接工艺参数参考表2。

4 试板热处理

由于自动焊焊接速度快，为了保证焊接质量，防止产生冷裂纹，参考标准NB/47015相关要求，试板焊接完成后，及时进行后热，后热温度为200℃-350℃，保温时间不低于30分钟，后热温度控制采用红外测温仪或其他方式进行过程监控。

为保证试板的焊接过程与实际产品焊接过程完全相符，在焊接完成后48h，需对焊接试块进行无损检测，无损检测合格后，根据ASME 第III卷NE分卷的要求对于板厚大于44.5mm的SA738 Gr.B需进行焊后热处理，热处理升温降温速率在425℃以下不作要求，在425℃以上升温降温速率小于110℃/h，保温温度为595～620℃，保温时间2.5h，热处理曲线见图2。

5 无损检测

热处理完成后同样需要在48h后，再对试板进行目视、渗透和射线检测，热处理前后的焊缝都应满足JB4730一级焊缝的要求，检验结果见表3。

通过对热处理前后焊接试块的检测，试块焊接前后目视、渗透和射线检测合格，符合一级焊缝的的要求。

6 焊接试板取样及理化性能分析

6.1 焊接试板取样

根据某核电的相关技术要求，焊接试板热处理完成NDE检测合格后需验证焊接接头的物理化学性能是否符合技术要求，拉伸试样、冲击试样、弯曲试样和化学分析试样取样位置图见图3，根据 ASME第IX卷及ASME第III卷NE分卷相关要求进行试样的尺寸加工。

室温拉伸、弯曲及冲击试验按AWS B4.0M要求进行，高温拉伸试验按ASTM E21要求进行，化学分析试验按ASTM A751的要求进行。

焊接的试板需预留一部分，当加工的试样试验不合格时，如果可以判定试样失败的原因与焊接参数无关时，可以在预留部分重新取样以代替失败的试样。

6.2 理化性能分析

力学性能试验结果见表4，横向侧弯试样按AWS B4.0M要求进行检测，压头直径为4倍的板厚，弯曲180°后，检查受拉面及热影响区不能出现裂纹，对由于气孔及夹渣引起的单个开口缺陷，长度不得超过3mm，通过侧弯试验试样焊缝及热影响区没有出现裂纹 ；室温拉伸试样抗拉强度、屈服强度和断后伸长率的试验值大于母材标准的规定值，可知焊接接头拉伸符合要求；150℃高温拉伸抗拉强度和屈服强度的试验值大于某核电的技术要求值（抗拉强度540MPa，屈服强度360MPa），150℃高温拉伸试验合格；某核电的技术规格书要求焊接接头的冲击试验每组的三个试样的平均值不小于54J，单个试样的最低值不小于47J，且一组3个试样中只允许一个试样吸收功小于54J，但不低于47J，表4可以看出-29℃和-45℃冲击试样的单个冲击值都在100J以上，可以判定，焊接接头的冲击性能符合要求。

化学性能试验结果见表5，化学分析结果均在规定的范围内，其结果合格。

7 结论

（1）通过对SA738 Gr.B钢使用机械自动横焊（GMAW）焊接的工艺试验，并且焊接的试板物理化学性符合规定要求，证明了机械自动横焊在SA738 Gr.B板焊接的可行性，为某核电现场制定机械自动横焊工艺和为自动横焊工艺的推广有很好的指导作用。

（2）根据SA738 Gr.B的物理化学性质，采用焊前预热、合理选择焊接材料、焊接工艺参数、热处理规范，焊接接头的性能达到标准要求，很大程度上防止焊后缺陷的出现。

（3）坡口角度为50°，钝边为2mm，根部间隙为3mm，焊接接头无损检测未出现未熔合及裂纹等缺陷，表明坡口设计符合机械自动横焊（GMAW）焊接的要求。

参考文献：

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