90 m m 厚316LN 不锈钢真空电子束焊接参数正交试验研究

2022-04-13王大勇聂丽萍赵鹏飞熊建坤温银江朱猛

东方汽轮机 2022年1期

王大勇，聂丽萍，赵鹏飞，熊建坤，温银江，朱猛

（1. 东方电气集团东方汽轮机有限公司，四川德阳， 618000； 2. 长寿命高温材料国家重点实验室，四川德阳， 618000）

奥氏体不锈钢以其优良的抗腐蚀、耐高温、耐辐射等综合力学性能广泛应用在核电、化工等行业的焊接结构中[1]。某部套主要功能有两方面：屏蔽中子，限制放射性污染和保证其他部件在运行期间的真空环境。为保证上述功能，该部件设计为密闭焊接腔室，要求焊接时单面焊双面成型；材料选择为316LN 不锈钢，厚度为90 mm。根据产品尺寸、材质及焊接要求，电子束焊接是唯一可选的成熟焊接工艺。电子束焊接具有能量密度高，穿透力强，焊接热影响区小，焊缝金属纯净度高，焊缝强度高，能有效防止各种焊接缺陷和提高焊接接头性能等优点[2-5]而得到了广泛应用。

电子束焊接涉及加速电压、工作距离、束流、聚焦电流、扫描幅度、扫描波形、扫描频率、焊接速度等众多参数，若直接进行试验，试验量将非常巨大，为避免费时费力，本文结合电子束设备能力及最终产品尺寸，固定加速电压、工作距离、扫描波形和扫描幅度，采用正交试验设计方法进行90 mm 厚316LN 不锈钢电子束单面焊双面成型工艺参数优化设计，并对焊接接头进行无损检测及化学成分检测。

1 试验材料

试验选用SST 公司的高压高真空电子束焊机，加速电压 70～150 kV，电子束束流 0～400 mA，真空室尺寸： 5 000 mm×4 000 mm×3 000 mm，电子枪真空度≤10-6mBar，真空室真空度≤10-4mBar。为尽可能模拟实际产品结构，焊接接头形式为对接，试板为固溶处理态316LN 不锈钢，尺寸均为500 mm×100 mm×90 mm，试板装配前经铣削加工至粗糙度≤Ra1.6，各面用无水酒精清洗，装配间隙≤0.05 mm，装配错边≤0.1 mm。母材化学成分见表1，金相组织见图1，为典型奥氏体组织。

表1 母材化学成分及室温力学性能

图1 母材金相组织

2 正交试验设计及分析

2.1 正交试验因素水平设计

本文结合电子束设备能力及最终产品尺寸，固定加速电压120 kV，工作距离400 mm、扫描波形为圆形和扫描幅度1 mm，在250 mm×250 mm×90 mm 316LN 不锈钢试板上自熔焊接，调节电子束流、聚焦电流、焊接速度、扫描频率等参数使试板点透，确定正交试验因素水平范围。试验过程中焊接接头宏观形貌如图2 所示。由于奥氏体不锈钢低导热系数的特性，真空电子束一次焊透90 mm 时焊接能量密度极大，导致熔池温度极高易流淌，焊缝成型不佳。

图2 焊接接头宏观形貌

根据前述点透试验，针对束流、焊接速度、聚焦电流和扫描频率等4 个参数设计4 因素3 水平共9 组正交试验，因素水平见表2。

表2 正交试验因素与水平

焊接试件为 250 mm×250 mm×90 mm 316LN不锈钢试板，根据正交设计，共进行9 组试验，每组焊后卸真空冷至室温后再次抽真空焊接，避免热积累效应的影响。试验考核指标为正面成型、背面成型及冷隔，焊后沿焊缝横向均匀取6 个截面，就6 个截面的焊缝冷隔情况、正面成型情况及背面成型情况进行打分，满分5 分，冷隔越少，分数越高，成型越接近GB/T 22085.1 B 级分数越高，取平均值后分别填入表3 正交试验结果表格中。由左至右焊缝号分别为 1、 3、 5、 2、 4、 7、8、 6、 9。

表3 正交试验方案及结果

3 正交试验结果分析

3.1 正面成型极差分析

正面成型极差分析结果见表4，可以看出4 种工艺参数对正面成型影响强弱程度为A＞C＞B＞D，较优水平确定为 A1B1（B2）C1D3。各因素对正面成型的影响规律见图3，随焊接速度增加，正面成型先变差再变好；随扫描频率增加，正面成型变差；随聚焦电流减小即焦点位置下移（焦点位于工件表面时聚焦电流： 2 175 mA）正面成型变差；随束流增加正面成型先变差再变好。

表4 正面成型极差分析法分析结果

图3 各因素对正面成型的影响规律

3.2 背面成型极差分析

正面成型极差分析结果见表5，可以看出4 种工艺参数对背面成型影响强弱程度为A＞B＞D＞C，较优水平确定为A1B1C1D2。各因素对背面成型的影响规律见图4，随焊接速度增加，背面成型先变差再变好；随扫描频率增加，背面成型变差；随聚焦电流减小即焦点位置下移（焦点位于工件表面时聚焦电流： 2 175 mA）背面成型变差；随束流增加背面成型先变好再变差。

表5 背面成型极差分析法分析结果

图4 各因素对背面成型的影响规律

3.3 内部成型（冷隔）极差分析

内部成型极差分析结果见表6，可以看出4 种工艺参数对内部成型影响强弱程度为A＞D＞B＞C，较优水平确定为 A1B2C1（C2）D2。各因素对内部成型的影响规律见图5，随焊接速度增加，内部成型变差；随扫描频率增加，内部成型先变好再变差；随聚焦电流减小即焦点位置下移（焦点位于工件表面时聚焦电流： 2 175 mA）内部成型变差；随束流增加内部成型先变好再变差。

表6 内部成型极差分析法分析结果

图5 各因素对内部成型的影响规律

4 工艺参数确定及验证

4.1 工艺参数确定

综合正面成型、背面成型及冷隔正交试验结果，焊接速度 120 mm/min，聚焦电流 2 100 mA时均能取得最佳效果，因此焊接速度直接确定为120 mm/min，聚焦电流直接确定为 2 100 mA。从产品最终使用要求角度，正面成型及背面成型优先级高于冷隔，在扫描频率为1 000 Hz 时正面成型及背面成型均能取得最佳效果，扫描频率直接确定为1 000 Hz。在此基础上，继续优化束流，最终确定的参数见表7。焊后焊缝的正面、背面及截面宏观金相照片分别见图6-8。

图6 焊缝正面宏观形貌

图7 焊缝背面宏观形貌

图8 焊缝截面形貌

表7 最终焊接参数

4.2 无损检测结果

分别按 NB/T 47013.3 1 级及 NB/T 47013.2 1级进行UT 检测及RT 检测，未发现超标缺陷显示，打磨去除焊缝正反面余高后，按 NB/ T 47013.5 1 级对焊缝正面及背面进行PT 检测，均未发现超标缺陷。测量焊缝成型情况，正面余高最高处约4 mm，背面余高最高处约4.5 mm。综合无损检测结果及焊缝成型尺寸，确认焊接接头满足GB/T 22085.1/ISO 13919-1 B 级（最严格）要求，达到单面焊双面成型要求。

4.3 焊缝金属化学成分

为考察90 mm 316LN 不锈钢对接试板电子束单面焊双面成型过程中元素烧损情况，将宏观金相试样沿焊缝中心面对半剖开，采用PDA7000 型火花直读光谱仪对焊缝中心化学成分进行检测，焊缝中心及母材化学成分见表8，主要元素对比见图9。考虑检测误差等情况，可以认为焊缝中心处化学成分与母材本身化学成分相差极小，电子束焊后无明显元素烧损。