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      核化工容器等離子弧焊坡口設(shè)計(jì)研究

      2022-05-14 03:27:34尤俊杰
      機(jī)械工程師 2022年5期
      關(guān)鍵詞:熔焊弧焊坡口

      尤俊杰

      (東方電氣(廣州)重型機(jī)器有限公司,廣州 511455)

      0 引言

      在乏燃料后處理廠(chǎng)中,接收槽、供料槽、廢液槽、緩沖罐、分離罐、倒空槽等各種功能的槽罐都是典型的安全級(jí)核化工容器。這類(lèi)核化工容器的制造質(zhì)量好壞直接影響到乏燃料處理的安全性。在這類(lèi)核化工容器的幾個(gè)關(guān)鍵制造工序中,殼體對(duì)接全焊透焊縫的焊接是其中重點(diǎn)工序之一,這類(lèi)焊縫檢測(cè)要求通常是按NB/T 47013.2-2015規(guī)定執(zhí)行100%射線(xiàn)檢測(cè),檢測(cè)技術(shù)級(jí)別為B級(jí),Ⅱ級(jí)合格[1]。由于乏燃料后處理系統(tǒng)需要的槽罐數(shù)量多,焊接工作量大,因此既要保證焊接質(zhì)量可靠性,又要提高焊接效率,并且焊后修磨量小。鑒于等離子弧焊具有等離子弧能量集中、電弧穩(wěn)定性高、焊縫成形深而窄、熱影響區(qū)小、焊縫外表成形均整美觀、余高小等優(yōu)點(diǎn),適于焊接對(duì)熱作用較敏感的鋼材,如奧氏體不銹鋼和耐熱鋼等,結(jié)合核化工容器的材料要求,經(jīng)過(guò)認(rèn)真分析研究,采取以自動(dòng)等離子弧焊為主、自動(dòng)鎢極氬弧焊為輔的焊接方法,以兼顧產(chǎn)品在質(zhì)量、進(jìn)度、成本等方面的要求。

      本文通過(guò)對(duì)核化工容器的材料性能、焊接工藝、焊接質(zhì)量等方面要求的全面分析,重點(diǎn)研究設(shè)計(jì)合理的焊接坡口結(jié)構(gòu),提高焊縫合格率,降低產(chǎn)品生產(chǎn)成本。

      1 材料要求

      1.1 母材要求

      某乏燃料后處理系統(tǒng)各種槽罐的殼體母材主要為奧氏體不銹鋼,其材質(zhì)主要有06Cr18Ni11Ti、022Cr19Ni10、06Cr19Ni10,殼體壁厚主要介于4~14 mm范圍內(nèi)。

      1.2 焊材要求

      根據(jù)設(shè)計(jì)圖樣技術(shù)要求,焊材的使用根據(jù)直接相焊的兩個(gè)母材牌號(hào)確定,具體遵照表1所示原則。

      表1 焊材使用原則

      2 坡口型式選擇

      所謂等離子弧焊,顧名思義就是利用電弧等離子區(qū)的高溫、高穿透能力,使電弧的特性發(fā)生質(zhì)的變化。然而,等離子區(qū)的高穿透能力總是有一定限度的。對(duì)于不銹鋼,等離子弧一次行程可熔透的最大厚度為8 mm[2],對(duì)于厚度t≤8 mm的對(duì)接接頭可不開(kāi)坡口,采用直邊對(duì)接接頭型式,可大大縮短焊前準(zhǔn)備和焊接時(shí)間。

      因此,根據(jù)不同的板厚,等離子弧焊的坡口型式及焊接方法也有所不同,具體分類(lèi)如表2所示。

      表2 坡口型式選擇

      由于母材厚度小于4 mm的對(duì)接焊縫在核化工容器中比較少見(jiàn),且由于母材壁厚較薄,易燒穿;而對(duì)于母材厚度大于14 mm的對(duì)接焊縫,由于母材較厚不易焊透。故此兩種厚度范圍在核化工容器制造中,均不適合采用等離子弧焊。

      下面從加工經(jīng)濟(jì)性和焊縫合格率兩個(gè)方面,對(duì)經(jīng)某乏燃料后處理廠(chǎng)核化工容器制造驗(yàn)證的坡口優(yōu)化方案,作對(duì)比介紹。

      2.1 對(duì)厚度4 mm≤t≤8 mm的坡口

      對(duì)于圖1所示的坡口結(jié)構(gòu),采用的焊接方法為:PAW(自熔)+PAW(填絲),即第一層采用自動(dòng)等離子自熔焊打底,同時(shí)需要配合使用Ar≥99.99%含量的氬氣保護(hù),再打磨清理自熔焊焊道,然后進(jìn)行第二層自動(dòng)等離子填絲焊蓋面,這樣就完成整條焊縫的焊接。

      1)加工經(jīng)濟(jì)性。

      圖1所示的坡口結(jié)構(gòu)加工極為方便。只要切割下料后,根據(jù)不同下料方法,去除相應(yīng)的熱影響區(qū)即可,不必專(zhuān)門(mén)加工出帶角度的坡口,便可直接用于接頭對(duì)接焊。

      根據(jù)工廠(chǎng)及行業(yè)經(jīng)驗(yàn),不銹鋼采用等離子切割下料,通常需要去除的熱影響區(qū)寬度應(yīng)不小于3 mm[3],而采用激光切割或剪切下料,因熱影響區(qū)寬度區(qū)域極小,甚至可忽略不計(jì),只要將切割面輕微拋磨平整即可。

      2)焊縫合格率。

      圖1所示的坡口對(duì)接焊縫,由于對(duì)接接頭是直接切割下料而成,通常對(duì)接接頭尺寸控制非常好,因此焊接質(zhì)量非常穩(wěn)定,焊縫外觀美觀、平滑均勻(如圖2),焊后基本上不需要,且焊縫射線(xiàn)檢測(cè)合格率均為100%。

      圖1 適用厚度4 mm≤t≤8 mm

      圖2 焊縫表面狀況

      2.2 對(duì)厚度8 mm<t≤10 mm的坡口

      對(duì)于圖3所示的坡口結(jié)構(gòu),采用的焊接方法為:PAW(自熔)+GTAW(填絲),即第一層在坡口側(cè)采用自動(dòng)等離子自熔焊打底,同時(shí)需配合使用Ar≥99.99%含量的氬氣保護(hù),再打磨清理自熔焊焊道,然后第二層開(kāi)始,采用自動(dòng)鎢極氬弧填絲焊,直至焊滿(mǎn)。

      圖3 適用厚度8 mm<t≤10 mm

      需要說(shuō)明的是:與自動(dòng)等離子填絲焊相比,自動(dòng)氬弧填絲焊熔池寬度要大得多,所以焊縫成形狀態(tài)更好,焊接效率也更高。因此,此處選用自動(dòng)氬弧填絲焊更為合理。

      1)加工經(jīng)濟(jì)性。

      圖3中有優(yōu)化前、后兩種坡口方案,前、后坡口鈍邊厚度和角度有所不同。優(yōu)化后坡口鈍邊厚度減小,坡口角度增大,也就是說(shuō)坡口母材加工量略微有所增加。由于兩種方案的坡口均需通過(guò)刨邊的方式加工而成,且由于坡口鈍邊厚度與角度變化引起的加工量增加很小,故從坡口加工經(jīng)濟(jì)性來(lái)說(shuō),該變化影響微乎其微。但是,該坡口結(jié)構(gòu)尺寸的變化對(duì)焊縫合格率的影響卻極為明顯。

      2)焊縫合格率。

      圖3所示的坡口結(jié)構(gòu)優(yōu)化的目的,是為了更好地發(fā)揮等離子弧焊的最佳焊接效能:其中減小鈍邊厚度,可以更好地改善焊縫的熔透性,消除未熔合缺陷;增加坡口角度的目的是使等離子弧焊機(jī)機(jī)頭盡量接近焊縫表面,確保坡口根部能完全熔透。經(jīng)過(guò)以上優(yōu)化,焊縫合格率穩(wěn)定保持在99%以上。

      2.3 對(duì)厚度10 mm<t≤14 mm的坡口

      對(duì)于圖4所示的坡口結(jié)構(gòu),焊接方法同樣也采用PAW(自熔)+GTAW(填絲),即第一層在坡口側(cè)采用自動(dòng)等離子自熔焊打底,同時(shí)需配合使用Ar≥99.99%含量的氬氣保護(hù),再打磨清理自熔焊焊道,然后第二層開(kāi)始,采用自動(dòng)鎢極氬弧填絲焊,直至焊滿(mǎn)。只是由于坡口填充空間較大,自動(dòng)鎢極氬弧填絲焊的道數(shù)要更多。1)加工經(jīng)濟(jì)性。

      圖4 適用厚度10 mm<t≤14 mm

      圖4中也有優(yōu)化前、后兩種坡口方案。優(yōu)化后,坡口角度明顯減小,坡口結(jié)構(gòu)由帶鈍邊V型改為帶鈍邊U型。

      從坡口加工方面來(lái)看,母材去除量增大,坡口結(jié)構(gòu)稍變復(fù)雜,加工難度隨之增加,加工設(shè)備選擇范圍變小。

      但從焊接質(zhì)量方面來(lái)看,優(yōu)化后的坡口方案有效提高了焊縫質(zhì)量,大大降低了焊縫返修率,節(jié)約了返修成本,縮短了產(chǎn)品制造周期。

      2)焊縫合格率。

      圖4所示的坡口結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的主要變化為:鈍邊厚度減??;坡口結(jié)構(gòu)由帶鈍邊V型改為帶鈍邊U型、坡口角度明顯減小。這樣優(yōu)化的目的是減緩焊接時(shí)坡口根部熱量的流失速度,保證坡口根部的熱量短時(shí)間不會(huì)迅速擴(kuò)散,從而有利于焊縫的充分熔合。經(jīng)過(guò)以上優(yōu)化,焊縫合格率始終保持在98%以上。

      3 等離子弧焊接注意事項(xiàng)

      無(wú)論采用哪種等離子弧焊方法,為獲得成形良好的全焊透焊縫,對(duì)接縫的裝配間隙都有較嚴(yán)格的要求,通常不應(yīng)超過(guò)板厚的1/10,最大不應(yīng)超過(guò)0.5 mm[4]。因此,等離子弧焊對(duì)接縫的邊緣和坡口直線(xiàn)度及對(duì)接面的平整度要求較高。加工邊緣和坡口時(shí),要嚴(yán)格控制加工誤差,要采用熱輸入量小的加工設(shè)備,如激光切割、精密剪切機(jī)、線(xiàn)切割、刨邊機(jī)等設(shè)備。

      為防止工件變形并控制工件接縫的錯(cuò)邊不超過(guò)板厚的0.2倍(最大不超過(guò)1.0 mm),要求裝焊時(shí),采用相應(yīng)的夾裝置,并盡量增加點(diǎn)焊位置。

      縱縫等離子弧焊時(shí),在接縫的兩端應(yīng)裝上引滅弧板。這樣,等離子弧焊穿透的小孔可在一端引滅弧板上產(chǎn)生,在另一端引滅弧板上收孔。在這種情況下,不必對(duì)引弧和收弧技術(shù)提出較高的要求。環(huán)縫焊接時(shí),上述過(guò)程都是在焊縫上完成的,因此必須按焊接工藝規(guī)程的要求遞增和衰減焊接電流和離子氣,以保證小孔穿透點(diǎn)和收孔點(diǎn)處的焊縫具有符合要求的外形。

      根據(jù)不同材料和厚度,需要進(jìn)行多次試驗(yàn),經(jīng)過(guò)多次調(diào)試,最終選取一組穩(wěn)定的焊接參數(shù),如電流、電弧電壓、焊接速度、氬氣成分和流量,才能從根本上保證焊縫表面成形美觀,焊縫合格率高。

      4 成果應(yīng)用和存在的問(wèn)題

      采用該優(yōu)化后的坡口結(jié)構(gòu)實(shí)施等離子弧焊,已成功運(yùn)用于某乏燃料后處理廠(chǎng)核化工容器制造中,已完成120多臺(tái)核化工容器的縱、環(huán)焊縫焊接,焊接效率大大提高。同時(shí),焊縫一次性合格率從優(yōu)化前的不足70%,大幅提高至98%以上。同時(shí)應(yīng)注意對(duì)現(xiàn)行的坡口結(jié)構(gòu),可根據(jù)今后生產(chǎn)過(guò)程中的經(jīng)驗(yàn)積累,還可以有持續(xù)優(yōu)化的空間。

      另外,根據(jù)各個(gè)制造廠(chǎng)實(shí)際情況,對(duì)于本文中描述的自動(dòng)等離子自熔焊+自動(dòng)鎢極氬弧填絲焊的焊接方法,也可以采用自動(dòng)等離子填絲焊代替其中的自動(dòng)鎢極氬弧填絲焊,只是焊接效率有所降低罷了。

      5 結(jié)語(yǔ)

      通過(guò)對(duì)某乏燃料后處理廠(chǎng)核化工容器制造技術(shù)要求的研究,從設(shè)計(jì)角度出發(fā),經(jīng)過(guò)焊接工藝設(shè)計(jì)和一系列試驗(yàn),加深了對(duì)影響等離子弧焊質(zhì)量的關(guān)鍵因素:根據(jù)不同的材料厚度,選擇相應(yīng)的坡口型式,同時(shí)考慮坡口鈍邊厚度、坡口角度,然后選擇對(duì)應(yīng)的焊接方法組合方式,經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn),最后選取一組穩(wěn)定的焊接參數(shù),最終達(dá)到提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本的目的。

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