肖志威，肖玉豪，曾凡勇，朱稱生，方一，王義

中國核工業(yè)第二二建設(shè)有限公司 湖北武漢 430051

1 序言

核電鋼制安全殼內(nèi)放置有反應(yīng)堆、穩(wěn)壓器等核島設(shè)備裝置，主要功能是為了預(yù)防放射性物質(zhì)的泄漏，保證核島在受到外來撞擊的情況下不發(fā)生損壞[1]。三代AP-1000 CV筒體鋼制安全殼及安全殼鋼襯里采用SA738 Gr.B鋼板，該材質(zhì)有著良好的力學(xué)性能，同時(shí)具有較好的焊接性能。

三代核電AP1000 CV筒體鋼制安全殼及安全殼鋼襯里是核電站非能動安全殼冷卻系統(tǒng)中最關(guān)鍵的組成部分，其在焊接作業(yè)中主要的焊縫形式是大曲率焊縫或類直線焊縫。過去生產(chǎn)中一直采用手工焊或是通過鋪設(shè)有軌道焊接機(jī)器人進(jìn)行焊接。但軌道式移動焊接機(jī)器人也存在諸多限制，如需要在焊接之前根據(jù)焊縫位置將導(dǎo)軌安裝固定，而此時(shí)進(jìn)行軌道的安裝與拆卸非常麻煩。當(dāng)焊接安全殼時(shí)，殼體內(nèi)部有多條長焊縫需要焊接，此時(shí)需要對導(dǎo)軌進(jìn)行多次安裝與拆卸，這樣將會造成大量人力、物力的消耗，從而影響到正常的工期。

為了克服這些缺點(diǎn)，張華等[2]采用了輪履式全位置爬行式弧焊機(jī)器人，該機(jī)器人由爬行機(jī)構(gòu)、焊接系統(tǒng)、視覺跟蹤系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)組成，無需鋪設(shè)軌道，也無需導(dǎo)向。爬行機(jī)構(gòu)具有負(fù)載能力強(qiáng)、行動方便等特點(diǎn)，滿足機(jī)器人在大型工件上的全位置爬行焊接要求，且能滿足焊縫的精確跟蹤，實(shí)現(xiàn)大型工件焊接過程的自動化。因此，我公司擬開展無軌導(dǎo)機(jī)器人進(jìn)行該類焊縫的焊接，在能夠確保焊接質(zhì)量的情況下減少了軌道鋪設(shè)的時(shí)間，同時(shí)降低了使用高水平焊工的成本。本文針對核電鋼制安全殼典型接頭和焊接位置，采用無軌導(dǎo)機(jī)器人自動熔化極氣體保護(hù)焊，并對接頭的力學(xué)性能和微觀組織進(jìn)行了分析，為實(shí)際產(chǎn)品的焊接提供指導(dǎo)和借鑒。

2 試驗(yàn)材料、設(shè)備及方法

2.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)采用的母材為SA738 Gr.B鋼，尺寸為700mm×200mm×42mm，開45°X形坡口。焊接材料采用ER90S-G，φ1.2mm。表1和表2分別為母材和焊接材料的化學(xué)成分和力學(xué)性能。

SA738 Gr.B屬于低合金高強(qiáng)度鋼，屬于核電鋼制安全殼專用鋼板，焊接時(shí)有一定淬硬、冷裂傾向，因此在焊接前須進(jìn)行預(yù)熱，以防止冷裂紋出現(xiàn)[3]。根據(jù)NB/T 20450.4—2017中關(guān)于MC級部件的相關(guān)要求，預(yù)熱溫度為95℃，層間溫度不低于預(yù)熱溫度，且≤200℃（＞200℃不僅會對組織性能產(chǎn)生影響，同樣也會造成爬行機(jī)器人履帶中釹鐵硼磁鐵因消磁而打滑），試驗(yàn)采用電加熱進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱溫度95℃。本試驗(yàn)使用的SA738 Gr.B鋼是國內(nèi)生產(chǎn)的調(diào)質(zhì)鋼，微觀組織主要為貝氏體，具有優(yōu)良的強(qiáng)度和韌性。

焊接材料選用ER90S-G焊絲，φ1.2mm。ER90S-G在ASME規(guī)范中屬于氣體保護(hù)電弧焊用低合金鋼焊絲，母材以及焊接材料的化學(xué)成分（實(shí)測）和標(biāo)準(zhǔn)力學(xué)性能（焊態(tài)）見表1、表2，母材的顯微組織如圖1所示。

表1 母材及焊接材料的主要化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表2 母材及焊接材料的力學(xué)性能 （MPa）

圖1 SA738 Gr.B母材微觀組織

2.2 試驗(yàn)設(shè)備及方法

為了模擬實(shí)際核電CV的焊接，焊接試驗(yàn)位置采用向上立焊，焊道的分布如圖2所示。

圖2 焊道分布

焊接設(shè)備選用BOT-WTA10-421型無軌導(dǎo)機(jī)器人，搭載熔化極自動氣體保護(hù)焊槍，如圖3所示。該設(shè)備可通過調(diào)整履帶上磁體的距離實(shí)現(xiàn)不同磁力大小的調(diào)整，保證設(shè)備在工件上的正常吸附。采用的焊接參數(shù)見表3。

圖3 無軌導(dǎo)爬行機(jī)器人

表3 焊接參數(shù)

焊后對接頭的宏觀形貌和微觀組織進(jìn)行取樣分析。采用線切割方式進(jìn)行金相取樣，完成取樣后按照粗磨、細(xì)磨、拋光、腐蝕的方式完成金相制樣。完成金相檢測后，對接頭不同區(qū)域進(jìn)行硬度測試，如圖4所示。選取母材1/2厚度處，從焊縫到母材進(jìn)行逐點(diǎn)測試，點(diǎn)間距為1mm。設(shè)備選用HVS-30CCT維氏硬度計(jì)，壓力為98.7N，保壓時(shí)間為10～15s。為了評價(jià)接頭力學(xué)性能，按照標(biāo)準(zhǔn)對接頭進(jìn)行拉伸試驗(yàn)、沖擊試驗(yàn)和彎曲試驗(yàn)。

圖4 硬度測量點(diǎn)位分布

拉伸試驗(yàn)分別按照GB/T 228.2—2015及GB/T 2651—2008進(jìn)行高溫拉伸及室溫拉伸兩種試驗(yàn)。高溫拉伸溫度為200℃，試驗(yàn)最終結(jié)果中每個(gè)試樣的抗拉強(qiáng)度應(yīng)不低于母材標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值的下限（≥540MPa），室溫拉伸每個(gè)試樣的抗拉強(qiáng)度應(yīng)不低于母材標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值的下限，即抗拉強(qiáng)度≥585MPa。沖擊試驗(yàn)按照GB/T 2650—2008標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，對焊縫金屬、母材以及熱影響區(qū)各加工出3組55mm×10mm×10mm的沖擊試樣，采用JB-200B沖擊試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行－18℃的沖擊試驗(yàn)。彎曲試驗(yàn)依照GB/T 2653—2008標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，由于試件厚度為42mm，故用側(cè)彎來代替面彎及背彎，共進(jìn)行4次側(cè)彎試驗(yàn)來檢驗(yàn)焊縫中可能存在的缺陷。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 焊接參數(shù)對根部熔合的影響

試驗(yàn)前期進(jìn)行了大量的焊接試驗(yàn)，參數(shù)調(diào)整前主要出現(xiàn)的焊接缺陷為焊縫與母材金屬未熔合（見圖5a）。通過分析，擺動停留時(shí)間及焊接速度是影響熔合質(zhì)量的重要因素。圖5b為改變相應(yīng)參數(shù)，即略微增加停留時(shí)間以及適當(dāng)降低在焊接過程中的焊接速度后，使焊縫金屬與母材得到了良好的熔合。分析認(rèn)為增加了停留時(shí)間以及在降低焊接速度后，實(shí)質(zhì)上增加了電弧對母材的熔化作用，同時(shí)熔敷金屬能更好地流動。

圖5 焊縫根部熔合情況

通過彎曲試驗(yàn)來進(jìn)一步觀察焊接試件中可能存在缺陷分布情況，4件側(cè)彎試件試驗(yàn)后狀態(tài)如圖6所示。在彎曲180°時(shí)，接頭的受拉面沒有可見缺陷，說明接頭整體性能良好。

圖6 試件側(cè)彎受拉面

3.2 接頭形貌及微觀組織

圖7所示為接頭整體宏觀形貌，可以看出焊縫熔敷金屬與母材熔合良好，無氣孔、裂紋、未熔合及夾渣等缺陷。為了進(jìn)一步對各區(qū)域進(jìn)行分析，分別對各區(qū)域的微觀組織進(jìn)行觀察分析。

圖7 焊縫宏觀形貌

圖8～圖10所示分別為不同區(qū)域的微觀組織。整體上焊縫區(qū)組織為針狀鐵素體+貝氏體，熱影響區(qū)包括過熱貝氏體組織及細(xì)晶粒鐵素體+珠光體組織。除此之外，同區(qū)域不同位置處的組織形態(tài)略有差別。

圖10 不同位置處的熱影響區(qū)微觀組織

焊縫區(qū)因焊接過程的快速冷卻，形成的鐵素體晶粒細(xì)小，但針對位置5處的焊縫組織而言，因受到后續(xù)焊道的持續(xù)加熱，相當(dāng)于進(jìn)行了焊后熱處理，部分針狀鐵素體轉(zhuǎn)變?yōu)閴K狀鐵素體，甚至開始出現(xiàn)少量珠光體組織（見圖8b）。

圖8 不同位置處的焊縫微觀組織

緊鄰焊縫區(qū)的熔合區(qū)組織因受熱作用明顯粗化，且已經(jīng)有形成馬氏體的傾向（見圖9b）。不同位置處的組織形態(tài)基本相似。

圖9 不同位置處的熔合區(qū)微觀組織

圖10是不同位置熱影響區(qū)微觀組織。相比于熔合區(qū)的粗晶組織，較遠(yuǎn)處的細(xì)晶區(qū)形成細(xì)小的等軸鐵素體和珠光體組織，相比母材晶粒更加細(xì)小。分析認(rèn)為，該區(qū)域溫度在Ac3，處于正火區(qū)，在此溫度下原先的母材組織發(fā)生回復(fù)與再結(jié)晶，形成細(xì)小的鐵素體和珠光體組織，且不同位置處的形態(tài)幾乎不變，這類組織具備較高的強(qiáng)度和韌性，對接頭性能有益。

3.3 接頭力學(xué)性能

（1）拉伸試驗(yàn) 拉伸試驗(yàn)結(jié)果見表4。母材要求的最低室溫抗拉強(qiáng)度為585MPa，最低高溫抗拉強(qiáng)度為540MPa。從試驗(yàn)結(jié)果中可以得知，焊接接頭的抗拉強(qiáng)度均滿足試驗(yàn)要求。

表4 拉伸試驗(yàn)結(jié)果 （MPa）

（2）沖擊試驗(yàn) 沖擊試樣的缺口軸線位于焊縫區(qū)，試驗(yàn)結(jié)果見表5。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，低溫沖擊性能相當(dāng)優(yōu)良，且3種位置的沖擊吸收能量都遠(yuǎn)大于標(biāo)準(zhǔn)要求（－18℃，≥24J）。分析認(rèn)為，對沖擊吸收能量影響最大的因素是焊接熱輸入，采用無軌導(dǎo)機(jī)器人進(jìn)行多層多道焊接，并嚴(yán)格把控層間溫度，能有效保證焊縫的沖擊韌度。

表5 SA738 Gr.B板各位置沖擊試驗(yàn)結(jié)果 （J）

（3）硬度分析 圖11所示為焊縫中心的顯微硬度分布。從圖中可以看出，在母材中心位置處，焊縫區(qū)的硬度分別在238HV左右，熱影響區(qū)在187HV左右，而母材區(qū)的硬度在198HV左右。

圖11 距1/2母材厚度處顯微硬度分布

根據(jù)前述組織分析，焊縫區(qū)冷卻速度快，形成的鐵素體和貝氏體組織晶粒細(xì)小，硬度高；粗晶區(qū)的組織發(fā)生一定的粗化，顯微硬度略微降低，但較母材而言顯微硬度增加，同時(shí)沖擊性能略微下降。

4 結(jié)束語

1）針對SA738 Gr.B鋼，采用無軌導(dǎo)機(jī)器人自動熔化極氣體保護(hù)焊焊接工藝得到了良好的接頭，宏觀上無明顯缺陷產(chǎn)生。

2）整體上焊縫區(qū)組織為針狀鐵素體+貝氏體，熱影響區(qū)包括過熱的貝氏體組織及細(xì)晶粒的鐵素體+珠光體組織。不同母材厚度處的焊縫組織因受到多層多道熱影響略微不同，熔合區(qū)組織有過熱傾向，正火區(qū)組織發(fā)生回火再結(jié)晶，得到了細(xì)小的晶粒組織。

3）對接頭進(jìn)行了拉伸試驗(yàn)、沖擊試驗(yàn)和硬度測試，結(jié)果均符合標(biāo)準(zhǔn)要求，硬度分布規(guī)律與拉伸試驗(yàn)的斷裂位置一致。

4）采用無軌導(dǎo)機(jī)器人焊接方式，得到了滿足性能要求的焊接參數(shù)，為后期現(xiàn)場推廣應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。