CN102941403B - 壳法兰窄间隙埋弧焊焊接工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种壳法兰窄间隙埋弧焊焊接工艺，按照窄间隙坡口形式机加工坡口，将壳法兰组装成整体，将壳法兰放置在防轴向窜动滚轮架上调平，按照合理的工艺规范进行窄间隙埋弧焊接。本发明是类似屏蔽电机机壳法兰在焊接方法及工艺上的巨大突破，实现了机动化埋弧焊接，节约熔化金属重量1/2，缩短生产周期70%，大幅度提高焊接质量及降低焊接返修率。

Description

壳法兰窄间隙埋弧焊焊接工艺

技术领域：本发明涉及一种壳法兰窄间隙埋弧焊焊接工艺。

背景技术：二十世纪六七十年代，核能发电技术得到长足发展，在九十年代末核能界将核电发展分为四代：20世纪五六十年代建造的原型核电厂称为第一代核电(GenⅠ)；从70年代开始建造的大型商业化核电厂一直运行到现在，属于第二代(GenⅡ)；第三代(GenⅢ)是90年代开发的、在安全和经济上有相当几个改进的核电厂设计，改进还在继续，入AP600/AP1000，形成GenⅢ+，就是被称为改革型的那一类；第四代核能(GenⅣ)是针对长期规划提出的，有望2030年或更早推向市场的新一代核能系统，不但指核电厂本身也包括燃料循环。AP1000是由美国西屋公司在AP600的基础上总体开发设计，二回路百万千瓦级的压水堆核电厂，具有非能动安全特性，是第一个获得美国核管会最终批准的第三代+核电设计。

AP1000技术的主泵即反应堆冷却剂泵作为一回路的主要部件，其总体结构及冷却方式都是全新的。如图2所示，壳法兰做为主泵的主要压力边界外壳，主要承担着支撑保护及防止冷却剂泄露的作用。

以往的屏蔽电机外壳均采用手工电弧焊或熔化极气体保护焊，焊接劳动强度大、效率低并且质量不易保证，返修率很高。埋弧焊作为一种高效、优质的焊接方法，在工业生产中已得到了广泛焊接工艺。尤其对于大厚壁筒体结构的对接坡口，通过采用埋弧焊方法均可获得美观、高质量的焊缝。而窄间隙埋弧焊由于坡口角度较窄(一般为1.5°～4°)，在同样的热输入条件下，其热影响区极为窄小，因此可得到冲击韧性更高的焊接接头。但同样是由于坡口狭窄，对焊道如何布置，如何调配电流、电压和焊接速度等参数以及避免出现侧壁未熔合缺陷，已成为窄间隙埋弧焊接过程中的难点和挑战。

AP1000主泵的设计规范书承诺的使用寿命为60年，而壳法兰作为防泄露保护外壳，无论母材还是焊缝在漫长的服役期间均将承受高压。因此对于其焊接接头的检验要求是相当严格的，一旦经射线探伤发现较深区域的缺欠，将有可能造成整个部件的报废。因此迫切需要在壳法兰的窄间隙埋弧焊接过程中，采用一整套准确、稳定和合理的工艺体系方法进行指导和控制质量。

发明内容：

本发明的目的是建立一个高效、稳定及运用灵活的壳法兰窄间隙埋弧焊焊接工艺，能够实现大厚壁筒型壳法兰的窄间隙埋弧焊接。本发明的技术方案为：

一种壳法兰窄间隙埋弧焊焊接工艺：1)建立窄间隙埋弧工作站，采用质量稳定可靠的埋弧焊电源、行走机构以及配套设施是保证焊接稳定的前提，保证壳法兰在防窜动滚轮架上的平衡量为±0.20mm；

采用具有缓降外特性的埋弧焊电源，以取得更加快捷的电流调节(△I)和自身调节灵敏度，以保证送丝的稳定性；

2)设计合理的坡口角度及型式，将壁厚140mm的壳法兰设计成通过止口定位，单侧坡口角度4°的筒型合缝坡口；

3)进行焊接工艺评定，选择合理的匹配性焊接材料，并对焊接接头进行拉伸、弯曲和冲击等机械力学性能试验，验证焊缝的可靠性和可适用性，通过焊丝和焊剂的匹配性试验，选择合理的埋弧焊组合焊材，对于壳法兰的碳钢段，由于母材采用美国机械工程师学会标准的材料ASME SA516 Gr.70，因此选择美国焊接协会的焊材Φ2.4mm的EH11K焊丝和美国林肯公司生产的Lincoln 880M焊剂；而对于不锈钢段的焊缝，选择按照美国焊接协会标准生产的不锈钢焊丝Φ1.6mm的ER309焊丝和专门用于不锈钢焊接苏德克公司的焊剂Soudakay IND24；

4)寻求匹配的电流、电压以及焊接速度参数，由于热输入在此案例中为重要变素，因此按照以下公式：

热输入＝电流(I)×电压(U)×60/焊接速度在焊接工艺评定允许的热输入范围内寻求能够电弧燃烧稳定，焊道成型良好的参数匹配；

具体的焊接参数为碳钢部分：电流380～400A  电压33～34V

                          焊接速度 420mm/min

              不锈钢部分：电流280～300A  电压32～33V

                          焊接速度 350mm/min

5)对窄间隙坡口的焊道布置、压道量以及焊丝距离侧壁的距离均应严格要求，如焊道布置或压道量不合理，容易产生裂纹、气孔等缺陷；而如焊丝距离侧壁的尺寸控制不当，则易产生未熔合的缺陷；

因此对于窄间隙坡口埋弧焊，第一层应在接头的中间焊接一道熔敷金属，以后每层两道，焊丝与坡口壁间距保持3.2-4.0mm，在接头的顶部，根据距离情况可每层熔敷两道以上；

6)对起弧电流、焊丝伸出长度、环形焊缝搭接、焊剂堆高技术环节细化。

起弧电流设置为90A，保证正常的起弧和良好的焊道端部成形；

焊丝伸出长度27～29mm，确保电弧燃烧稳定，并不易沾丝；

电极角度8～10°，以便电弧吹力使焊道成型美观，鱼鳞纹更加均匀；

环形焊道搭接量为30mm，对起弧部分薄弱区域重新熔化，保证焊接质量；

电流极性采用直流反接(DCEP)，获得较大的熔深和稳定的熔池；

7)对温度的控制，由于埋弧焊属于热输入比较大的焊接方法，对于预热温度及层间温度要严格控制，对于碳钢部分，预热温度最小66℃，层间温度最大230℃，对于不锈钢部分，预热温度最小15℃，层间温度最大176℃，通过控制温度，避免由于热输入过大而产生的热裂纹。

本发明通过建立高效、稳定及运用灵活的窄间隙埋弧焊接工艺体系，在国内首次完成了AP1000核电技术的反应堆冷却剂泵的壳法兰窄间隙埋弧焊接，一次性通过了焊缝的射线探伤检查(RT)，实现了壳法兰的机动化焊接，大大提高了生产效率和焊接质量。

一条壳法兰窄间隙埋弧焊缝的熔化金属量约为1024kg，如采用传统焊接方法，熔敷金属重量约为1500kg，焊接材料重量节约了大约1/2。采用窄间隙埋弧焊方法进行壳法兰的焊接周期为3天；如采用手工电弧焊则约为15天；而采用熔化极气体保护焊约为10天，可以看出通过采用本发明的工艺方案大大缩短了制造周期。

本发明采用新型机动焊方法，背部不需要清根即可完全熔透；并且埋弧焊为非明弧操作，大大改善了操作者的劳动环境、降低了安全隐患。本发明是类似屏蔽电机机壳法兰在焊接方法及工艺上的巨大突破，实现了机动化埋弧焊接，节约熔化金属重量1/2，缩短生产周期70％，大幅度提高焊接质量及降低焊接返修率。

本发明在焊接专业领域内进一步提高了窄间隙埋弧焊焊接工艺水平，摸索完善了运用埋弧焊焊接合金结构钢及奥氏体不锈钢的各种参数匹配，为以后埋弧焊技术的发展及创新积累了丰富的数据和可借鉴的经验。

附图说明：

图1为埋弧焊电源外特型图

图2为壳法兰及窄间隙坡口形式结构图

图3为合理的距侧壁距离及焊道布置

具体实施方式：

一种壳法兰窄间隙埋弧焊焊接工艺：1)建立窄间隙埋弧工作站，采用质量稳定可靠的埋弧焊电源、行走机构以及配套设施是保证焊接稳定的前提。保证壳法兰在防窜动滚轮架上的平衡量为±0.20mm；

如图1所示，采用具有缓降外特性的埋弧焊电源，以取得更加快捷的△I和自身调节灵敏度，以保证送丝的稳定性；

2)设计合理的坡口角度及型式，将壁厚140mm的壳法兰设计成通过止口定位，单侧坡口角度4°的筒型合缝坡口；

3)进行焊接工艺评定，选择合理的匹配性焊接材料，并对焊接接头进行拉伸、弯曲和冲击等机械力学性能试验，验证焊缝的可靠性和可适用性，通过焊丝和焊剂的匹配性试验，选择合理的埋弧焊组合焊材，对于壳法兰的碳钢段，由于母材采用美国机械工程师学会标准的材料ASME SA516 Gr.70，因此选择美国焊接协会的焊材Φ2.4mm的EH11K焊丝和美国林肯公司生产的Lincoln 880M焊剂；而对于不锈钢段的焊缝，选择按照美国焊接协会标准生产的不锈钢焊丝Φ1.6mm的ER309焊丝和专门用于不锈钢焊接苏德克公司的焊剂Soudakay IND24；

4)寻求匹配的电流、电压以及焊接速度参数，由于热输入在此案例中为重要变素，因此按照以下公式：

热输入＝电流(I)×电压(U)×60/焊接速度，在焊接工艺评定允许的热输入范围内寻求能够电弧燃烧稳定，焊道成型良好的参数匹配；

具体的焊接参数为碳钢部分：电流380～400A  电压33～34V

                          焊接速度 420mm/min

              不锈钢部分：电流280～300A  电压32～33V

                          焊接速度 350mm/min

5)如图3所示，对窄间隙坡口的焊道布置、压道量以及焊丝距离侧壁的距离均应严格要求，如焊道布置或压道量不合理，容易产生裂纹、气孔等缺陷；而如焊丝距离侧壁的尺寸控制不当，则易产生未熔合的缺陷；

因此对于窄间隙坡口埋弧焊，第一层应在接头的中间焊接一道熔敷金属，以后每层两道，焊丝与坡口壁间距保持3.2-4.0mm。在接头的顶部，根据距离情况可每层熔敷两道以上。

6)对起弧电流、焊丝伸出长度、环形焊缝搭接、焊剂堆高技术环节细化。

起弧电流设置为90A，保证正常的起弧和良好的焊道端部成形；

焊丝伸出长度27～29mm，确保电弧燃烧稳定，并不易沾丝；

电极角度8～10°，以便电弧的吹力使焊道成型美观，鱼鳞纹更加均匀；

环形焊道搭接量为30mm，对起弧部分薄弱区域重新熔化，保证焊接质量；

电流极性采用直流反接(DCEP)，获得较大的熔深和稳定的熔池。

7)对温度的控制，由于埋弧焊属于热输入比较大的焊接方法，对于预热温度及层间温度要严格控制；

对于碳钢部分，预热温度最小66℃，层间温度最大230℃

对于不锈钢部分，预热温度最小15℃，层间温度最大176℃

通过控制温度，避免由于热输入过大而产生的热裂纹。

Claims (1)

1.一种壳法兰窄间隙埋弧焊焊接工艺，其特征是：

1)建立窄间隙埋弧工作站，采用质量稳定可靠的埋弧焊电源、行走机构以及配套设施是保证焊接稳定的前提，保证壳法兰在防窜动滚轮架上的平衡量为±0.20mm；

采用具有缓降外特性的埋弧焊电源，以取得更加快捷的电流调节(△I)和自身调节灵敏度，以保证送丝的稳定性；

2)设计坡口角度及型式，将壁厚140mm的壳法兰设计成通过止口定位，单侧坡口角度4°的筒型合缝坡口；

3)进行焊接工艺评定，选择匹配性焊接材料，并对焊接接头进行拉伸、弯曲和冲击机械力学性能试验，验证焊缝的可靠性和可适用性，通过焊丝和焊剂的匹配性试验，选择埋弧焊组合焊材，对于壳法兰的碳钢段，由于母材采用美国机械工程师学会标准的材料ASMESA516Gr.70，因此选择美国焊接协会的焊材Φ2.4mm的EH11K焊丝和美国林肯公司生产的Lincoln 880M焊剂；而对于不锈钢段的焊缝，选择按照美国焊接协会标准生产的不锈钢焊丝Φ1.6mm的ER309焊丝和专门用于不锈钢焊接使用的苏德克公司生产的焊剂SoudakayIND24；

4)寻求匹配的电流、电压以及焊接速度参数，由于热输入在此案例中为重要变素，因此按照以下公式：

热输入＝电流(I)×电压(U)×60/焊接速度，在焊接工艺评定允许的热输入范围内寻求能够电弧燃烧稳定，焊道成型良好的参数匹配；

具体的焊接参数为碳钢部分：电流380～400A、电压33～34V、焊接速度420mm/min，

不锈钢部分：电流280～300A、电压32～33V、焊接速度350mm/min，

5)对窄间隙坡口的焊道布置、压道量以及焊丝距离侧壁的距离均应严格要求，如焊道布置或压道量不合理，容易产生裂纹、气孔缺陷；而如焊丝距离侧壁的尺寸控制不当，则易产生未熔合的缺陷；

因此对于窄间隙坡口埋弧焊，第一层应在接头的中间焊接一道熔敷金属，以后每层两道，焊丝与坡口壁间距保持3.2-4.0mm，在接头的顶部，根据距离情况每层熔敷两道以上；

6)对起弧电流、焊丝伸出长度、环形焊缝搭接、焊剂堆高技术环节细化：

起弧电流设置为90A，保证正常的起弧和良好的焊道端部成形；

焊丝伸出长度27～29mm，确保电弧燃烧稳定，并不易沾丝；

电极角度8～10°，以便电弧吹力使焊道成型美观，鱼鳞纹更加均匀；

环形焊道搭接量为30mm，对起弧部分薄弱区域重新熔化，保证焊接质量；

电流极性采用直流反接(DCEP)，获得较大的熔深和稳定的熔池；

7)对温度的控制，由于埋弧焊属于热输入比较大的焊接方法，对于预热温度及层间温度要严格控制，对于碳钢部分，预热温度最小66℃，层间温度最大230℃，对于不锈钢部分，预热温度最小15℃，层间温度最大176℃，通过控制温度，避免由于热输入过大而产生的热裂纹。