压水堆核电站主管道窄间隙自动焊用焊丝研究

朱德才 李付良 聂岩 李予卫

摘 要：焊接填充材料不仅影响焊接过程的稳定性、焊接接头的性能和质量，同时也影响焊接效率。压水堆核电站建设中主管道传统手工焊接用的填充材料是ER316L，该材料焊接性能稳定，易于操作。主管道窄间隙自动焊采用窄间隙坡口和单层单道焊接技术，该工艺需要焊丝具有更好的熔池流动性和更高的纯净度以保证焊缝成形质量，该文就上述要求对自动焊专用焊丝进行研究。

关键词：核岛安装 主管道 自动焊 焊丝

中图分类号：TG404 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2012）12（a）-00-02

核电站主管道是连接核岛主设备的大厚壁承压管道，是核电站的“主动脉”，其焊接质量直接影响电站的安全运行。采用传统手工电弧焊进行主管道焊接时，每个焊缝需要两名优秀焊工同时焊接35d完成，工作量大、劳动强度高、施工环境恶劣。目前，我国核电建设已进入快速发展时期，传统手工焊工艺已难适应核电批量化建设需求，采用高效稳定的窄间隙自动焊技术是必然趋势。另外，我国部分在役电站已运行近20年，正面临主设备维修和更换问题，自动焊技术在强辐射环境下实施作业具有不可替代的优势。因此，在主管道焊接中引入自动焊技术非常必要，相应焊丝的研究和开发同样关键。

1 自动焊工艺特点

1.1 窄间隙坡口

相比传统手工焊坡口，自动焊窄间隙坡口具有可减小焊接的残余应力和变形、提高焊接接头质量、减少焊缝金属的填充量、降低生产成本和提高生产率等优势。但窄间隙坡口由于坡口角度较小，两侧基本处于垂直状态，因此在焊接过程中，坡口侧壁是发生未熔合概率高的区域。

图1 手工焊和自动焊坡口图对比

1.2 单层单道焊接工艺

该工艺具有生产效率高，适合大厚壁管道，焊缝搭接处不平整容易出现未熔合、气孔等缺陷。

图2 单层单道焊接工艺

2 自动焊焊丝研究

自动焊在焊接工艺、焊接材料和检测技术等均与手工焊存在较大差异，同时我国现行核电建设标准对自动焊的相关技术标准尚未明确，焊接配套设备、工艺参数、焊材和检测技术等需进行开发、改进和完善。核电建设中主管道传统焊接中采用的填充材料是ER316L，该材料焊接性能稳定，易于操作。主管道窄间隙自动焊采用窄间隙坡口和单层单道焊接技术，该工艺需要焊材具有更好的熔池流动性和更高的纯净度以保证焊缝成形质量，因此需对ER316L焊材组成进行调整以适应自动焊工艺要求。

由于主管道中的工作介质高温、高流速和强辐射等特点，主管道自动焊焊丝除了要求熔池流动性好外，还需要综合考虑其它元素含量对其焊缝质量的影响，如：

磷元素（P）：P在焊缝中是一种有害元素。在熔池快速结晶时，P易发生偏析且分布于晶界，减弱了晶粒间的结合力，同时它本身既硬又脆。这就增加了焊缝金属的冷脆性，即冲击韧性降低，脆性转变温度升高。P元素在奥氏体不锈钢焊缝中还能促使形成结晶裂纹，因此需限制焊材中P的

含量；

硫元素（S）：S在熔池结晶时容易发生偏析分布与晶界，从而增加了焊缝金属产生结晶裂纹的倾向，同时还会降低冲击韧性和抗腐蚀性；

铜元素（Cu）：Cu在焊缝中可提高强度和韧性，也能提高抗大气腐蚀性能。但是Cu在焊接时容易产生热脆，Cu含量高塑性显著降低，且对焊材的可焊性也有不利影响；

钴元素（Co）：由于主管道工作介质属于强辐射环境，为减少辐射影响需要降低焊材中的Co元素含量；

硼元素（B）：焊缝中含微量的B可以改善焊缝的致密性，提高强度。但是B对可焊性非常不利，一般要求奥氏体不锈钢中不加B；

硅元素（Si）：Si含量提高，可以降低熔滴金属的表面张力，使熔滴颗粒变细，更容易实现喷射过度，使电弧变得更稳定。

根据上述分析，在自动焊焊材开发过程，通过提高焊丝中Si含量可以降低熔滴金属的表面张力，使熔滴颗粒变细，更容易实现喷射过度，使电弧变得更稳定，同时还能改善熔滴金属的湿润性，从而增加了熔池流动性，减少产生未熔合缺陷的风险。

同时，为了保证主管道的焊接质量，除了改变焊丝中Si含量外，还调整了其他相关化学元素组分，开发出与窄间隙自动焊技术相匹配的316S93（N）C MIDI SPOOL焊丝。

3 工艺匹配性试验

3.1 热裂纹试验

焊丝中提高Si元素含量，有可能增加焊缝的热裂纹倾向的概率。因此需要在焊接过程中模拟现场产品拘束状态，并在焊接过程中实施层间PT和在最终焊缝上进行金相检测等方式来检验焊缝是否存在热裂纹。在焊接过程中我们将线能量和层间温度均保持在参数的上限。另外，我们通过增加配重模拟焊接过程中的拉应力来模拟现场实际产品的焊接过程。

在焊接过程中对试验管道进行配重以模拟产品焊接过程的拘束状态，增加热输入以增大焊缝的热裂纹倾向，在焊接过程中实施分层液体渗透检测（PT）和在最终焊缝上进行10X宏观金相和200X微观金相进行检验，确认焊缝是否存在热裂纹。具体实施如下。

a）焊接过程中进行分层PT；

使用316S93（N）C MIDI SPOOL焊丝完成第一道焊接后进行PT检验，之后每三层进行一次PT检测，观察裂纹情况。

b）在最终焊缝上进行宏观金相检验；

在上述完成的主管道自动焊焊缝上取6个方向的宏观（10X）和微观金相（200X），微观金相在每个宏观金相试样上截取包括熔敷金属、熔合线和热影响区（取样位置如图3所示），观察最终确定是否存在裂纹。

c）配重试验

试验简图如图4所示。龙门架是支撑，把整个装置悬挂起来，上管段和下管段焊接在一起，吊索连接各个部件。

图3 金相取样位置图

图4 实验示意图

d）试验过程

在焊接过程中实施分层PT，即用316S93（N）C MIDI SPOOL焊丝完成第一道焊接后进行PT检验，之后每三层进行一次PT检测。由于焊接可能产生的热裂纹包括液化裂纹和结晶裂纹，因此整个试验过程分两次进行。

结晶裂纹：产生于焊缝金属结晶过程末期的“脆性温度”区间，此时晶粒间存在着薄的液相层，因而金属塑性极低，由冷却的不均匀收缩而产生的拉伸变形超过了允许值时，即沿晶界液层开裂。

液化裂纹：主要产生于焊缝熔合线附近的母材中，有时也产生于多层焊的先施焊的焊道内。形成原因是由于在焊接热的作用下，焊缝熔合线外侧金属内产生沿晶界的局部熔化，以及在随后冷却收缩时引起的沿晶界液化层开裂。造成这种裂纹的情况有二：一是材料晶粒边界有较多的低熔点物质；另一种是由于迅速加热，使某些金属化合物分解而又来不及扩散，致局部晶界出现一些合金元素的富集甚至达到共晶成分。

e）试验结果；

对结晶裂纹和液化裂纹分别进行了试验，PT检测和金相检测均未发现裂纹，结果合格。

图5 MA1-MA6金相试验

3.2 晶间腐蚀试验

根据标准RCC-M要求，熔敷金属晶间腐蚀试样需要在向上立焊和向下立焊位置分别取样，取样位置相差180 °。另外，在晶间腐蚀前需先进行敏化处理（在5 min内，加热到725±10 ℃，保温30 min，然后以60±5 ℃/h的速度冷却到500 ℃，之后空冷）。试验结果均为无晶间腐蚀倾向。

综上所述，此316S93（N）C MIDI SPOOL焊丝与自动焊工艺和主管道匹配良好，不产生热裂纹倾向和晶间腐蚀倾向。

3 自动焊焊接接头与手工焊焊接接头性能比较

对比手工电弧焊和自动焊的金相和工艺评定性能数据，自动焊焊接接头的热影响区比焊条电弧焊更小，焊缝更加致密，且自动焊焊接接头的熔敷金属延伸率和接头冲击性能比手工电弧焊提高约20%。

4 结语

通过对焊接填充材料中微量元素的分析，在ER316L焊丝的基础上，研究出与窄间隙自动焊技术相匹配的316S93（N）C MIDI SPOOL焊丝。通过大量工艺性能、热裂纹和晶间腐蚀等实验分析焊丝与工艺的匹配性及焊接接头的理化性能实验，证明该焊丝不但与窄间隙自动焊工艺相匹配，而且杂质少、纯净度高、焊接流动性好，利于焊缝成形和提高焊缝接头质量。