316LN奥氏体不锈钢超低温结构件热丝TIG焊工艺研究

田金华，刘伟，吴智，吴自晟，陶则旭

武汉重型机床集团有限公司 湖北武汉 430000

1 序言

我公司承接某核电项目横梁结构件（见图1），外形尺寸为280mm×280mm×2630mm（方形）；材质为316LN奥氏体不锈钢；板厚20mm；重量1.2t；工作最低温度为-269℃（超低温）；焊缝要求：全熔透焊缝（见图2），焊后要求进行UT（超声）、PT（渗透）检测。

此构件为某核电产品最为关键的支撑部件，也是主要的受力部件，虽然结构相对比较简单，但处于-269℃超低温环境，以及产品生产周期紧迫，再加上第一次接触这种材料，未有这方面的制作经验。因此，经过查阅大量的文献，总结出一些理论数据，并结合本产品结构特点及技术要求，采用手工TIG焊进行定位焊及打底焊、热丝TIG焊进行填充及盖面的焊接方法，并根据实际板材厚度制定合理的焊接工艺评定。在经过了一系列的试验之后，制定了焊接工艺评定试验方案，选取了合适的焊丝、焊接电流、电弧电压等参数，确定了一套完整的焊接工艺。

图1 横梁结构件三维图

图2 横梁全熔透焊缝坡口

2 316LN奥氏体不锈钢材料的焊接性

316LN奥氏体不锈钢是一种铬-镍奥氏体系低碳不锈钢，是太钢集团为满足该核电产品使用要求新开发的产品，符合ASTM 240标准，焊接性能良好，其化学成分见表1，室温力学性能和低温力学性能见表2。

表1 316LN奥氏体不锈钢化学成分（质量分数） （%）

表2 316LN奥氏体不锈钢力学性能

3 热丝TIG焊的工艺特点

热丝TIG焊是在传统TIG焊基础上发展起来的一种优质、高效、节能的焊接工艺，其基本原理就是在焊丝送进熔池之前，对焊丝进行加热使其达到一定的预热温度，最终实现高速高效焊接的目的。此外，焊丝经过预热表面得以净化以及预热电流对熔池的搅拌作用、预热电流的磁场作用可以改变焊接电弧的形态等多种因素的共同作用，使得焊缝质量更为优良。同TIG焊相比，热丝TIG焊明显地提高了熔敷速度、焊接速度，适合于焊接中等厚度的焊接结构，同时又具有TIG焊高质量焊缝的特点，同MIG焊相比，其熔敷速度相差不大，但是热丝TIG焊的送丝速度独立于焊接电流，因此能够更好地控制焊缝成形，对于开坡口的焊缝，其侧壁熔合性比MIG焊好得多[1-2]。

4 焊接工艺评定

（1）焊接材料的选择 本项目中所涉及316LN奥氏体不锈钢熔焊均采用手工TIG焊或自动TIG焊，焊接材料选用奥地利伯乐公司的ER 317L不锈钢实芯焊丝，保护气体选用氩气（≥99.99%）。

（2）焊接工艺评定 根据横梁中工字型钢与侧板的焊接结构特点，采用手工TIG焊进行定位焊及打底焊、热丝TIG焊进行填充及盖面的焊接方法，并需要根据实际板材厚度制定合理的焊接工艺评定。

本结构中，工字型钢与其侧板所使用的板材厚度为20mm，根据ISO 15614-1标准中“堆焊材料厚度和焊缝熔敷厚度的鉴定范围”，以及生产现场实际材料情况，选用了厚度为30mm的钢板，这样就能对所使用的钢板进行覆盖。

手工TIG焊打底、热丝TIG焊填充盖面的焊接工艺评定试验步骤如下：

第一，焊接工艺评定试板规格均为30mm×200mm×400mm，采用对接接头的方式，焊接坡口通过机械加工的方式成形。

第二，焊接完成24h后进行射线检测（按照ISO 17636进行）和渗透检测（按照 ISO 3452 进行），经专业检测人员检查合格。

第三，试验结果及数据分析：根据ISO 15614-1标准进行相应的力学试验，检测结果见表3。

表3 316LN奥氏体不锈钢焊缝力学性能

根据试验数据，并结合此工件的结构特点，编制了一份完整的焊接工艺规程文件用于指导产品焊接。

5 横梁焊接收缩量模拟试验件焊接制造

针对该产品的结构特点，为保证工字梁与侧板的焊接全熔透，并适当降低工字梁与两侧板的焊接接头应力集中，同时更准确的预估横梁焊接之后的收缩量大小，焊接在工字梁坡口下方增加一个8mm×12mm的垫板，同时在侧板上开一R2mm×2mm的沟槽，如图3所示。

图3 模拟试验件

通过模拟试验件的焊接，得出了该结构件采用预留收缩量法进行焊接的关键数据，这为正式产品的焊接制造提供了关键支撑。

6 实际焊接生产保障措施

（1）板材下料及质量控制 下料方式采用数控水刀切割，可以保证下料直线度、平面度、切割面粗糙度符合产品技术要求。

316LN奥氏体不锈钢下料在专用的场地进行，钢板切割下料前必须做标记移植，下料过程中避免踩踏钢板表面，防止表面划伤，下料零件配有木质堆放架，周转和运输时用塑料薄膜覆盖，防止碳素钢污染，下完料后分专区存放，并做隔离标识。

（2）焊接坡口加工及质量控制 该结构中工字梁与侧板组成的焊接接头中，焊接坡口设置在工字梁上并通过机械加工方式成形。在坡口机械加工过程中，使用专用冷却液，并采取了相应的预防措施以避免污染不锈钢。坡口加工完毕后，对焊接坡口及其两侧30mm范围内按照 ISO 3452 标准进行了渗透无损检测，合格后转入焊接工序。

（3）结构整体焊接及质量控制 首先，焊接材料控制。通过对焊接材料进行复验确保该产品的技术要求，焊材的保管、发放、使用和回收制定专门的管理措施。

其次，焊接设备控制。焊接设备处于完好状态，并贴好显示标签，安装在焊接设备上的监视和测量仪表经计量检定合格，仪表所在处贴有校准合格标签并显示处于有效期内，焊接设备做到定人定机、专管专用。

最后，产品施焊控制。316LN奥氏体不锈钢结构件制造要与碳素钢隔离的专用焊接场地，当环境温度低于0℃时，在坡口100mm范围内预热到15℃以上，定位焊前对焊接部位用丙酮进行清洗，定位焊焊缝高度≥5mm，焊缝长度20～30mm，定位焊间距100～120mm；打底焊时采用手工TIG焊，填充及盖面焊接时采用热丝TIG自动焊对4条纵缝轮流焊接，采用多层多道焊操作方式，焊接过程中严格进行层间清理，控制层间温度，并在焊接记录表格中如实填写焊接参数。

7 结束语

通过严格控制制造过程中的各个环节，对每一个可能出现问题的环节事先一一解决，利用已有的焊接经验和成熟技术，通过技术人员、质检人员及焊接工人的共同努力，不仅保质保量按时完成了产品制造任务，而且对316LN奥氏体不锈钢超低温结构件的热丝TIG焊接的工艺方案积累了相应的经验。