不锈钢-碳钢电弧螺柱焊工艺研究及应用

马晓锋

（中国核工业二三建设有限公司，北京 101300）

1 引言

国际热核聚变实验堆（ITER）计划，简称“ITER计划”，ITER的主要装置是一个能产生大规模核聚变反应的超导托克马克，俗称“人造太阳”。在中子能量管基板安装过程中，需要采用电弧螺柱焊焊接工艺，将M16 304L不锈钢螺柱焊接到S355J碳钢预埋板上。本文分析了不锈钢-碳钢异种金属电弧螺柱焊工艺评定和现场实际应用，为今后其在其他项目上应用奠定了基础。

2 螺柱焊简介

螺柱焊是将螺柱一端与板件（或管件）表面接触，通电引弧，待接触面熔化后，给螺柱一定压力完成焊接的方法[1]。

按操作过程不同分为电弧螺柱焊和电容放电螺柱焊。电弧螺柱焊特点是电弧由具有下降特性的直流弧焊电源供电，焊接时两工件之间均有先短接后拉起的引燃电弧的过程。电弧式螺柱焊接如图1所示。电容放电螺柱焊由电容器供电，焊接时带电的焊件在相互接触（或接近）的瞬间放电燃弧，完成焊接。电容放电式螺柱焊接如图2所示。

图1 电弧式螺柱焊接示意图

图2 电容放电式螺柱焊接示意图

3 螺柱焊设备

3.1 电弧式螺柱焊设备

电弧式螺柱焊设备主要由焊接电源、控制系统和焊枪3部分组成。焊接电源是通过变压器/整流器降压后直接放电，其工作原理与普通电焊焊接类似。由于不需要预充电，电能可以源源不断地释放，所以焊接时间长短可以控制，根据设备功率不同，可焊螺柱直径范围为3～25 mm[2]。

3.2 电容放电式螺柱焊设备

电容放电螺柱焊设备主要由焊接电源、控制器和焊枪3部分组成。电容放电螺柱焊，设备首先将预先设置好的能量额度充入电容中，随后焊接时，能量从电容中一次性全部释放出来，用于焊接，焊接时间为1～3 ms。由于能量并不能源源不断地提供，所以电容放电螺柱焊的焊接能力有限，一般用于焊接直径为3～10 mm的螺柱[3]。

4 不锈钢-碳钢螺柱焊工艺评定

4.1 焊前准备

焊接材料：M16 304L不锈钢焊接螺柱（见图3a），16 mm S355JR碳钢板，螺柱焊瓷环（见图3b）。

图3 M16不锈钢螺柱和螺柱焊瓷环

焊接位置：2S（横焊）

焊接设备：泰勒螺柱焊机

4.2 焊接工艺参数

根据螺柱焊接工艺参数选择的原则，电弧螺柱焊横焊焊接工艺参数见表1。

表1 电弧螺柱焊横焊焊接工艺参数

4.3 试验结果

对工艺评定试件进行外观质量检查，焊缝成形较好，无表面缺陷。经外观检查后，对工艺评定试件进行拉伸和弯曲试验。拉伸试验结果（见表2）中的抗拉强度试验数值，均大于304L不锈钢抗拉强度数值，符合要求。弯曲试验结果（见表3）均符合ASME标准要求。

表2 拉伸试验结果

表3 弯曲试验结果

通过上述试验结果可以看出，不锈钢-碳钢螺柱焊的工艺评定符合焊接工艺和性能要求。

5 不锈钢-碳钢螺柱焊问题分析及解决措施

5.1 问题分析

在不锈钢-碳钢螺柱焊工艺评定过程中，出现的缺陷主要有螺柱焊接强度不够、螺柱根部成型差等。相关缺陷见图4。

图4 不锈钢-碳钢螺柱焊缺陷

通过对各个影响因素的分析，螺柱焊接强度不够的主要原因是焊接电流小，焊接时间短，导致不锈钢螺柱未能与碳钢基板很好地熔合在一起。螺柱根部成型差的主要原因是螺柱瓷环匹配性，未能正确使用配套瓷环[4]。

5.2 解决措施

针对问题产生原因，提出如下解决措施：

1）合理优化电参数，适当调整电流、电压配比，施焊前清除坡口表面浮锈露出金属光泽，发现杂质及时清除。

2）采取专用横焊位置瓷环。在焊接过程中，瓷环起到收聚能量，限制外观形状，防止飞溅等作用。

通过上述措施的应用，解决了在不锈钢-碳钢螺柱焊工艺评定中相应问题。经对工艺评定试件目视、拉伸、弯曲试验后，符合相应标准要求。

6 不锈钢-碳钢电弧螺柱焊现场应用

在中子通量管基板安装过程中，根据现场实际情况，结合焊接工艺评定获得的焊接参数，制定了焊接工艺卡。按照焊接工艺卡，采用不锈钢-碳钢螺柱焊接工艺焊接相应螺柱，在对产品螺柱无损检查后，一次合格率100%。焊接质量稳定，符合相应要求。焊接后的产品螺柱如图5所示。

图5 产品螺柱

7 结语

螺柱焊在安装螺柱或类似紧固件时，可取代铆接、钻孔、焊条电弧焊、电阻焊等。在船舶、锅炉、压力容器、车辆、航空、石油、建筑等领域应用广泛。

通过对不锈钢-碳钢电弧螺柱焊工艺的研究和现场实际应用，在不锈钢-碳钢异种钢电弧螺柱焊焊接工艺、现场操作和质量管理等方面积累了经验，为今后在其他项目应用中奠定了基础。