核电结构件焊接工艺与防变形控制

成志凯

摘要：由于传统能源（煤炭、石油、天然气等）是不可再生的，只会越来越少，因而世界各国大力提倡发展可再生的新能源，核能设备中关键结构件的精度要求很高，大多是焊接而成，由于不均匀加工与冷却、焊接残余应力对整体尺寸的不利影响等因素，极易产生裂纹、层间未熔合及焊接变形等，严重影响核电设施功能发挥及安全。本文基于核电工程建设经验，对核电结构件焊接工艺与防变形控制进行分析研究，得出结论。

关键词：核电结构件;焊接工艺;防变形

前言

核电作为可再生的新型能源在世界各国得到大力发展，其中的结构件焊接质量要求很高，针对极易产生焊接裂纹、层间未熔合及焊接变形等难题，提出了“预热缓冷、低氢焊条、碱性焊剂、单面焊双面成形”的焊接方法和防变形技术，结果表明，可大幅减少焊接残余应力，最大程度地减少了核电结构件产生裂纹、未熔合及焊接变形等，焊接质量显著提高。

1 焊接材料及工艺的确定

1.1 焊缝收缩分析

焊缝收缩有纵向与横向收缩变形2种形式，无论是哪种形式的收缩变形，都与焊接材料、焊接方法有关。据有关文献分析，焊接工艺中影响焊缝收缩量有如下因素：

（1）线膨胀系数。线膨胀系数越大的材料，焊缝收缩量越大。

（2）焊缝越长，纵向收缩量越大。

（3）间断焊缝比连续焊缝的收缩量小。

（4）角焊缝横向收缩比对接焊缝横向收缩小。

（5）对于多层焊，第1层引起的收缩量最大，以后各层逐渐减小。

（6）焊接时，增加了约束条件，焊接收缩量可减小40%～65%。

（7）焊角越大，角变形量越大。

构件的长度、横截面面积与焊缝截面积对纵向收缩量有直接的影响，只有正确地选择焊接方法及材料，才能保证焊缝质量和制造周期，而且还能提高焊缝的合格率，并且能有效地减少返修量，在选择焊接方法及材料时，要综合考虑焊缝纵向、横向收缩变形的各种影响因素。

1.2 焊接材料的选择

焊接材料的类型及规格应根据核电产品的结构特点、主体材料类型（结构件主要材料基本为碳钢、低合金钢、不锈钢）、技术条件、车间的生产设备及由这些条件确定的焊接工艺而定。施焊过程中，采用U形坡口形式，依据等强性原则，按母材选择用于核电结构件的焊接材料，在符合焊接工艺的同等条件下，选择普通碳钢焊丝的热输入≤37kJ/mm，药芯焊丝（E71T-1）的热输入≤4.5kJ/mm。这样，药芯焊丝焊接的焊缝，横向收缩量大大小于普通碳钢焊丝焊接的焊縫横向收缩量。其焊缝抗拉强度应不小于母材标准抗拉强度规定的下限。

1.3 预热缓冷处理

施焊过程中产生的氢会致工件产生裂纹，因此，要进行焊前预热、焊后“消氢”缓冷处理。对于重要结构件、合金钢及厚度较大的部件，要求在焊前必须预热，以减小焊缝内应力，减小焊接区域内被焊工件之间的温差，一方面减小了焊接应力，另一方面降低了焊接应变速率，避免产生焊接裂纹。

1.4 温度选择

预热温度和道间温度的选择不仅与钢材和焊条的化学成分有关，还与焊接结构的刚性、焊接方法、环境温度等有关，应综合考虑这些因素后确定。另外，预热温度在钢材板厚方向的均匀性和在焊缝区域的均匀性，对减小焊接应力有着重要的影响。局部预热的宽度，应根据被焊工件的拘束度而定，一般应为焊缝区周围各3倍壁厚，且不得小于150～200mm。如果预热不均匀，不但不能减小焊接应力，反而还会出现增大焊接应力的情况。

焊接前的最佳预热温度是125～175℃，各道工序间温度控制在预热温度以上，进行中小规模多层多道焊接，焊接热输入控制在20～35kJ/cm内，并进行605～635℃的焊后热处理。其目的有3个：消氢、消除焊接应力、改善焊缝组织和综合性能。焊后热处理一般选用单一的中高温回火或正火加高温回火处理。

1.5 采用单面焊双面成形技术

这种焊接技术是采用普通焊条，以特殊的操作手段，在坡口的正面进行焊接，焊后保证坡口正反面都能得到成形焊缝。该焊接成形技术，是核电、锅炉、压力容器焊工必须熟练掌握的操作技能。在焊接操作过程中，不需要采取任何辅助措施，针对不同的操作手法，只需在坡口根部留出不同间隙，当在坡口的正面用普通焊条进行焊接时，就会在坡口的正反两面都能得到匀称、成形良好的焊缝，其方法主要有断弧焊法和连弧焊法。

2 防变形控制

2.1 防止核电机座变形的几点措施

（1）重新布置板缝

板缝的布置是根据结构设计和板材的规格来决定的。实际采购的板材规格有时与设计规格有所不同，需要重新布置板缝，并进行优化排列，以减小焊接引起的结构变形。

（2）薄板预先矫正

薄板的预先矫正，可采用多轴辊式矫平机进行矫平，主要是矫平波浪性变形。

（3）改进现有焊接工艺

采用高效、全方位的CO2气体保护焊，可以有效降低核电钢结构焊接变形。通过一系列焊接工艺试验及评定，采用钨极氩弧焊（TIG焊），由于钨极氩弧焊的热输入量最低，因此避免了常见焊接缺陷的出现;其次，在焊接过程中，采用“多次翻身、等量交错”的方式进行施焊，从而使得焊接应力能尽可能地均匀分布;同时还采用了背冷法，避免了工件可能出现的“锅底”形变形。

2.2 防止产生焊接裂纹的主要对策

2.2.1 防止产生热裂纹主要对策

（1）严格控制有害杂质C，S，P的含量;（2）严格控制焊缝截面形状，避免截面突变;（3）施焊后暂缓清理焊渣;（4）降低焊缝的冷却速度，以减小焊接应力。

2.2.2 防止产生冷裂纹主要对策

（1）选用碱性焊条，并在施焊前对焊条进行烘干处理;（2）焊前对工件表面进行清理;（3）选用合理的焊接工艺参数和施焊程序;（4）对淬火倾向大的钢材，应采取预热、缓冷或焊后热处理等措施。

3 结语

“预热缓冷、低氢型焊条、碱性焊剂、单面焊双面成形”的焊接方法和防变形措施用于核电、化工、压力容器等结构件的焊接，特别是核电大型碳钢及不锈钢结构件、大型低合金管件、大型不锈钢管件等产品上，解决了制约产品质量、生产进度的技术瓶颈，经使用表明：该项研究成果工艺规范、可操作性强、焊接质量稳定可靠，收到了很好的应用效果。

参考文献：

[1]李善春，郭福平，王为松.压力管道泄漏声发射监测试验研究[J].无损检测，2007，29（2）：74-79.

[2]焦敬品，何存富，吴斌，等.管道超声导波检测技术研究进展[J].实验力学，2002，17（1）：1-9.

（作者单位：上海核工程研究设计院有限公司）