陳崇龍， 周繼輝， 李侃， 方超， 谷國(guó)超， 賈傳寶

(1. 中核檢修有限公司，山東 青島 266400；2.山東大學(xué),材料液固結(jié)構(gòu)演變與加工教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，濟(jì)南 250061；3. 特種焊接技術(shù)安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 淮南 232000)

創(chuàng)新點(diǎn)： 采用旋轉(zhuǎn)電弧NG-GTAW新工藝，能夠在滿足焊接熱輸入要求的同時(shí)，提高焊接效率，減少填充量，為核級(jí)不銹鋼焊接提供了一種高效率、高質(zhì)量的焊接新方法。

0 前言

核電321不銹鋼屬于18-8型Ni-Cr奧氏體不銹鋼，其力學(xué)性能與304不銹鋼非常相似，具有良好的塑韌性和低溫性能、優(yōu)異的耐蝕性及無(wú)磁性等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用在石油化工、航天、核電等領(lǐng)域[1]。然而321不銹鋼作為奧氏體不銹鋼種，其導(dǎo)熱系數(shù)小，線膨脹系數(shù)大，焊縫區(qū)域易氧化，因此對(duì)321不銹鋼的焊接工藝提出了較高要求[2]。采用傳統(tǒng)的焊接方法工藝難度大，并且容易導(dǎo)致氣孔、微觀偏析、熱影響區(qū)晶粒粗大等問(wèn)題，難以保證焊縫成形質(zhì)量。

窄間隙鎢極氬弧焊(NG-GTAW)工藝具有填充量小、成形質(zhì)量高、焊接過(guò)程穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，主要應(yīng)用在航空航天、石油化工、核電等要求較高的焊接領(lǐng)域，非常適合于不銹鋼、鋁、鎂、鈦等難焊金屬的焊接[3]。但窄間隙焊接坡口角度通常較小，電弧熱源軸線基本與側(cè)壁平行，對(duì)坡口側(cè)壁加熱不足，導(dǎo)致側(cè)壁熔合不良，對(duì)大型結(jié)構(gòu)件的安全使用留下巨大隱患，因此解決側(cè)壁熔合不良問(wèn)題是推廣窄間隙電弧焊接的關(guān)鍵所在。目前研究人員主要提出了旋轉(zhuǎn)/擺動(dòng)電弧焊接技術(shù)、雙絲/雙電弧焊接技術(shù)、帶狀電極焊接技術(shù)及復(fù)合熱源焊接技術(shù)等[4]。

常規(guī)NG-GTAW工藝為了改善側(cè)壁熔合不良問(wèn)題，通常是采用增大焊接參數(shù)或增加鎢極數(shù)量的方式來(lái)擴(kuò)大電弧燃燒范圍，這不僅增加了焊接設(shè)備復(fù)雜性，更重要的是焊接熱輸入也會(huì)有明顯的增加，導(dǎo)致接頭性能無(wú)法得到有效保證?；诖?，提出了一種非軸對(duì)稱旋轉(zhuǎn)電弧NG-GTAW新方法。與常規(guī)氬弧焊不同，被打磨的鎢極尖端偏離軸心并位于鎢極側(cè)壁上。在施焊過(guò)程中，電弧一旦被引燃，根據(jù)最小電壓原理，電弧總是選擇從尖端到基體金屬最短的路徑燃燒，以這種方式建立電流傳導(dǎo)的最佳路徑，因此隨著鎢極的旋轉(zhuǎn)，電弧可以周期性的在焊縫的左側(cè)壁-底部熔池-右側(cè)壁之間穩(wěn)定燃燒，均勻的加熱母材金屬，保證焊縫成形質(zhì)量。

焊接作為局部加熱、快速冷卻的材料連接工藝，涉及傳熱傳質(zhì)等眾多復(fù)雜的物理、化學(xué)過(guò)程，特別是對(duì)于厚板的窄間隙焊接，由于焊接熱量高度集中且瞬時(shí)輸入，焊接溫度場(chǎng)及焊后產(chǎn)生的殘余應(yīng)力和變形對(duì)接頭區(qū)域元素分布、構(gòu)件裝備精度及尺寸穩(wěn)定性等都有至關(guān)重要的影響[5]。因此研究分析焊接過(guò)程溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)分布，對(duì)優(yōu)化焊接工藝、提高焊接質(zhì)量具有重要意義。

焊接溫度場(chǎng)是影響接頭質(zhì)量、冶金成分及焊后應(yīng)力、變形的重要因素，研究人員從試驗(yàn)測(cè)定和數(shù)值模擬等角度展開(kāi)了大量的研究。朱政強(qiáng)等人[6]采用試驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，研究了厚板窄間隙埋弧多道焊接工藝的溫度場(chǎng)分布，結(jié)果表明，多道焊接時(shí)的溫度分布變化比單道焊接時(shí)復(fù)雜很多，在距離焊縫中心較遠(yuǎn)處，填充焊接前三道峰值溫度并不高，原因是不銹鋼導(dǎo)熱系數(shù)較小，鋼板內(nèi)部傳熱需要一定時(shí)間。Al-Karawi等人[7]利用紅外攝像儀測(cè)量了金屬厚板焊接過(guò)程中板材表面的溫度場(chǎng)分布，并分別對(duì)窄間隙垂直電弧焊、激光焊及大功率旋轉(zhuǎn)電弧焊接的紅外測(cè)量結(jié)果和工藝效果進(jìn)行評(píng)估。

焊接過(guò)程中，由于板材不同部位的加熱-冷卻循環(huán)不均勻，導(dǎo)致構(gòu)件產(chǎn)生呈梯度變化的殘余應(yīng)力。特別是對(duì)于質(zhì)量要求較高的大厚度板材來(lái)說(shuō)，焊接殘余應(yīng)力及變形的出現(xiàn)對(duì)構(gòu)件質(zhì)量和安全使用構(gòu)成巨大的隱患，因此研究分析焊接結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布，采取針對(duì)性解決措施，全面掌控消除焊接殘余應(yīng)力及變形具有重要意義。卜一之等人[8]對(duì)18 mm厚正交異性鋼橋面板中縱肋和橫隔板殘余應(yīng)力分布進(jìn)行研究，采用數(shù)值模擬和試驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方法分析了構(gòu)造細(xì)節(jié)和焊接順序?qū)堄鄳?yīng)力分布的影響，優(yōu)選確定先焊縱肋腹板、后焊縱肋底板的焊接順序。杜崢等人[9]采用盲孔法測(cè)定了10 mm厚1Cr18Ni9Ti焊接殘余應(yīng)力，結(jié)果表明，在板材不同位置處應(yīng)力有不同的表現(xiàn)形式，并隨著與焊縫距離的增大應(yīng)力值降低，在試板兩側(cè)邊緣區(qū)域，壓應(yīng)力衰減為零。Vemanaboina等人[10]利用X射線技術(shù)對(duì)GTAW接頭殘余應(yīng)力水平進(jìn)行了評(píng)估，利用熱成像技術(shù)對(duì)焊接接頭和底板界面的熱分布進(jìn)行了映射，并開(kāi)展了熱應(yīng)力和殘余應(yīng)力序列耦合熱-力學(xué)分析。

試驗(yàn)采用旋轉(zhuǎn)電弧NG-GTAW新工藝，根據(jù)實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)321不銹鋼焊接要求，在嚴(yán)格控制焊接熱輸入的條件下對(duì)321不銹鋼板進(jìn)行多層單道焊接。檢測(cè)在多層單道窄間隙焊接過(guò)程中，焊縫區(qū)域不同位置的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)分布，為優(yōu)選焊接參數(shù)、優(yōu)化焊接工藝提供理論支撐。

1 試驗(yàn)方法

采用旋轉(zhuǎn)電弧NG-GTAW新工藝對(duì)10 mm厚321不銹鋼開(kāi)展對(duì)焊試驗(yàn)，板材尺寸為500 mm×200 mm×10 mm，單邊開(kāi)4 mm坡口，并預(yù)留2 mm鈍邊。所用焊絲為直徑1.2 mm的321不銹鋼專用焊絲。321不銹鋼的成分見(jiàn)表1。

表1 321不銹鋼元素含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

321不銹鋼主要應(yīng)用在核電和壓力容器等領(lǐng)域，焊接熱輸入對(duì)321不銹鋼焊接接頭的疲勞壽命、抗腐蝕性能、低溫性能等有顯著影響，因此在滿足焊縫成形良好的前提下，應(yīng)盡量控制焊接熱輸入。根據(jù)實(shí)際工業(yè)上氬弧焊對(duì)321不銹鋼板的焊接要求，將焊接熱輸入控制在10 kJ/cm以下。對(duì)旋轉(zhuǎn)電弧NG-GTAW工藝計(jì)算線性熱輸入，其計(jì)算公式為：

(1)

式中：E為焊接熱輸入，kJ/cm；I為焊接電流，A；U為電弧電壓，V；v為焊接速度，cm/min；η為焊接熱效率系數(shù)，在直流氬弧焊中熱效率系數(shù)約為0.75～0.85，文中取η=0.85。

在焊接工藝摸索過(guò)程中，為了保證打底焊焊接過(guò)程穩(wěn)定，并且能夠較容易的實(shí)現(xiàn)單面焊雙面成形，在保證焊透的前提下，采用較小的焊接參數(shù)并且不填充焊絲。填充焊時(shí)，為了保證側(cè)壁熔合質(zhì)量，同時(shí)提高焊接熔覆效率，相比于打底焊適當(dāng)?shù)奶岣吡撕附訁?shù)。進(jìn)行蓋面焊時(shí)，坡口邊緣由于多次的加熱，使得邊緣產(chǎn)生一定程度的熔化，因此為了避免蓋面時(shí)焊縫熔覆的寬度不夠而出現(xiàn)咬邊缺陷，適當(dāng)?shù)奶嵘u極高度，并減小主軸保護(hù)氣以降低氣體對(duì)電弧向下的拘束作用，來(lái)增大旋轉(zhuǎn)電弧的加熱范圍。經(jīng)過(guò)摸索最終確定了合適的焊接參數(shù)，見(jiàn)表2。

表2 321不銹鋼旋轉(zhuǎn)電弧NG-GTAW工藝參數(shù)

為了保證在窄間隙焊接過(guò)程中，保護(hù)氣可以有效的送入坡口底部，對(duì)于主軸保護(hù)氣通路，采用了2罐保護(hù)氣來(lái)增大氣流量。除了表中所示的焊接參數(shù)以外，打底焊時(shí)為了保護(hù)焊縫背面避免氧化，在背面焊縫處通入背保護(hù)氣，流量約為5 L/min，所選用的鎢極轉(zhuǎn)速為5 r/s。另外由于321不銹鋼導(dǎo)熱系數(shù)小，在多層焊接過(guò)程中，散熱較慢，熱積累嚴(yán)重，因此導(dǎo)致較大的焊接變形。經(jīng)過(guò)摸索，對(duì)應(yīng)上表所述的焊接參數(shù)下，設(shè)置約為3.5°左右的反變形，可基本抵消焊接變形角度。

利用K型熱電偶測(cè)量了NG-GTAW過(guò)程中不同位置處的焊接熱循環(huán)，溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)如圖1所示。焊接過(guò)程中，分別監(jiān)測(cè)了打底焊、填充焊和蓋面焊的溫度分布，采用自然冷卻的方式冷卻至60 ℃左右，再進(jìn)行下一道焊縫的填充。測(cè)試點(diǎn)孔徑2 mm，打孔深度8 mm，每隔1 s監(jiān)測(cè)一個(gè)數(shù)據(jù)。

圖1 溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置示意圖

針對(duì)旋轉(zhuǎn)電弧NG-GTAW工藝條件下沿焊縫方向和垂直于焊縫方向的應(yīng)力分布，采用盲孔法進(jìn)行檢測(cè)，最大限度地保證原有殘余應(yīng)力分布的完整性，保證由于應(yīng)力釋放所引起的附加應(yīng)力最小，測(cè)試設(shè)備采用濟(jì)南西格瑪科技有限公司生產(chǎn)的SRSS3-1型殘余應(yīng)力測(cè)試裝置，實(shí)際取點(diǎn)位置示意圖如圖2所示，圖3為盲孔法測(cè)量用應(yīng)變花示意圖和測(cè)試點(diǎn)標(biāo)記坐標(biāo)系。測(cè)試采用φ1.5 mm鉆頭，盲孔深度2 mm，盡可能地減小切削量，減小附加應(yīng)力。

圖2 應(yīng)力測(cè)試點(diǎn)位置示意圖

圖3 盲孔法測(cè)量用應(yīng)變花示意圖和測(cè)試點(diǎn)標(biāo)記坐標(biāo)系

采用如圖3a所示的應(yīng)變花測(cè)量焊接殘余應(yīng)力時(shí)，其對(duì)應(yīng)的應(yīng)力計(jì)算公式[11]為：

(2)

式中：σ1,σ2為主應(yīng)力，MPa；ε1,ε2,ε3為應(yīng)變片所測(cè)得的釋放應(yīng)變，其中ε1為0°方向，垂直于焊縫，ε2為45°方向，ε3為90°方向，平行于焊縫；A,B為應(yīng)變釋放系數(shù)。321不銹鋼彈性模量E=195.0 GPa，泊松比μ=0.244 70，經(jīng)計(jì)算A=-0.056 1，B=-0.164 8。

2 結(jié)果與討論

2.1 焊縫成形

打底焊、填充焊、蓋面焊的焊縫成形如圖4所示。圖4a為打底焊背面形貌，從圖中可以看出，打底焊成形均勻，未出現(xiàn)明顯的未焊透、焊漏等問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了單面焊雙面成形，背面余高約1.2～1.5 mm。圖4b所示是填充焊成形圖，焊縫成形均勻美觀，呈現(xiàn)均勻致密的魚(yú)鱗紋，焊縫表面光潔，氣保護(hù)良好，金屬光澤明顯。在旋轉(zhuǎn)電弧機(jī)械外力和熔池慣性離心力作用下，液態(tài)熔池在焊縫底部得到充分鋪展，并且增強(qiáng)了對(duì)坡口側(cè)壁的沖刷效應(yīng)，外加旋轉(zhuǎn)電弧對(duì)側(cè)壁的周期性加熱，可有效保證側(cè)壁熔合質(zhì)量，得到成形良好的焊縫。圖4c是蓋面焊形貌圖，由于此時(shí)相當(dāng)于常規(guī)氬弧焊的堆焊成形，保護(hù)氣并不需要深入坡口內(nèi)部，因此在減小保護(hù)氣流量的情況下，所得到的焊縫依然具有明顯的金屬光澤。

圖4 NG-GTAW焊縫成形

圖5為焊接接頭橫截面的宏觀形貌，從圖中可以看到焊縫左右兩側(cè)對(duì)稱，側(cè)壁熔合良好，焊縫底部預(yù)留鈍邊已完全熔透，實(shí)現(xiàn)單面焊雙面成形。焊縫上表面平齊，基本無(wú)焊接變形產(chǎn)生，因此對(duì)于10 mm厚321不銹鋼板采用上述焊接工藝參數(shù)，可以得到成形良好的焊縫。與傳統(tǒng)的V形坡口多層多道焊接方式相比，采用窄間隙坡口可減少一定的填充量，有利于節(jié)省焊材，提高效率，同時(shí)避免多層多道焊接帶來(lái)的熱積累。相較于常規(guī)鎢極氬弧焊，周期性旋轉(zhuǎn)的電弧改變了原本“鐘罩型”熱源分布，使電弧熱量更均勻的加熱坡口側(cè)壁。焊接熱輸入的減小，可很大程度上縮減熱影響區(qū)面積，控制焊縫和熱影響區(qū)晶粒大小，保證接頭的力學(xué)性能和耐蝕性能。

圖5 焊縫截面形貌

2.2 旋轉(zhuǎn)電弧NG-GTAW工藝過(guò)程溫度監(jiān)測(cè)

在實(shí)際焊接時(shí)，多層多道焊接往往比單道焊接更為常見(jiàn)，尤其是對(duì)于中厚板或者是管材的連接。NG-GTAW采用單道多層焊接方法，焊接過(guò)程中的熱積累及后熔覆層對(duì)前熔覆層的熱作用對(duì)焊縫組織和性能有重要影響，因此研究焊接過(guò)程不同位置處所經(jīng)歷的熱循環(huán)對(duì)優(yōu)化焊接工藝具有重要的指導(dǎo)意義。

圖6所示為窄間隙打底焊、填充焊和蓋面焊不同位置處的溫度場(chǎng)分布。圖6a表示打底焊溫度場(chǎng)分布。從圖中可以看出，在距離焊縫5 mm處的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，當(dāng)焊槍經(jīng)過(guò)時(shí)，溫度短時(shí)間內(nèi)急劇上升達(dá)到350 ℃，隨著焊接過(guò)程的完成，溫度緩慢降低，約8 mm后可冷卻至60 ℃左右，由于不銹鋼導(dǎo)熱系數(shù)較小，因此其他位置溫度上升較為緩慢。另外打底焊要求板材焊透即可，為避免焊穿、焊漏等情況，采用了較小的焊接參數(shù)，因此峰值溫度較低。圖6b、圖6c是填充焊溫度分布，共對(duì)2道填充進(jìn)行了溫度監(jiān)測(cè)。相對(duì)于打底焊來(lái)說(shuō)，為了提高熔覆效率，填充焊適當(dāng)?shù)脑龃蠛附訁?shù)，因此在第一層填充時(shí)，峰值溫度達(dá)到450 ℃左右，所需冷卻時(shí)間也明顯增加。當(dāng)進(jìn)行第二層填充時(shí)，由于增大了焊接參數(shù)以及打底焊、第一道填充焊的熱積累效應(yīng)，在近焊縫位置處，峰值溫度瞬時(shí)達(dá)到600 ℃，并且所需冷卻時(shí)間也大大延長(zhǎng)。當(dāng)進(jìn)行蓋面焊時(shí)，為了避免坡口處出現(xiàn)咬邊等問(wèn)題，適當(dāng)?shù)奶岣哝u極尖端位置，減小豎直向下的主軸保護(hù)氣流量來(lái)增大電弧加熱范圍，由圖6d可知，近焊縫位置最高溫度約460 ℃。

圖6 多道焊接過(guò)程中不同位置所經(jīng)歷的熱循環(huán)

從上述結(jié)果看出，在NG-GTAW單道多層焊接過(guò)程中，在進(jìn)行打底焊和首次填充焊時(shí)，由于所用焊接參數(shù)及熱積累作用較小，近焊縫區(qū)域最高峰值溫度較低且持續(xù)時(shí)間較短，幾乎不會(huì)對(duì)熱影響區(qū)微觀組織產(chǎn)生明顯影響。在進(jìn)行第二道焊縫的填充時(shí)，最高溫度達(dá)到600 ℃。當(dāng)奧氏體不銹鋼處在450～850 ℃較長(zhǎng)時(shí)間時(shí)，在奧氏體不銹鋼晶界處會(huì)析出鉻的碳化物造成晶界貧鉻，增大材料的腐蝕傾向[12]，嚴(yán)重縮短設(shè)備壽命，危害使用安全性。因此多道焊接過(guò)程中應(yīng)延長(zhǎng)焊縫冷卻時(shí)間，控制焊接熱輸入，盡量避免熱量積累。

2.3 旋轉(zhuǎn)電弧NG-GTAW殘余應(yīng)力檢測(cè)

不銹鋼板材的焊接，特別是中厚板的焊接，接頭區(qū)域受到不均勻溫度場(chǎng)的作用，在焊接過(guò)程結(jié)束后，在材料內(nèi)部存在殘余應(yīng)力。焊接殘余應(yīng)力對(duì)焊接件通常是有害的，會(huì)嚴(yán)重影響材料的疲勞壽命、使用穩(wěn)定性和耐蝕性等。

圖7所示是垂直于焊縫方向的應(yīng)力分布，其中黑色折線表示橫向應(yīng)力分布，紅色折線表示縱向應(yīng)力分布。從圖中可以看出，在垂直于焊縫方向上，橫向應(yīng)力和縱向應(yīng)力分布趨勢(shì)相似，在近焊縫區(qū)域，呈現(xiàn)較高的拉應(yīng)力，應(yīng)力范圍300～400 MPa之間，基本和材料的屈服強(qiáng)度相當(dāng)，此時(shí)近焊縫區(qū)域盲孔點(diǎn)可能產(chǎn)生一定程度的塑性變形，致使所測(cè)得的應(yīng)力值與實(shí)際應(yīng)力分布波動(dòng)較大。當(dāng)遠(yuǎn)離焊縫位置時(shí)，拉應(yīng)力逐漸降低且受力方式由拉應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力狀態(tài)，橫向應(yīng)力比縱向應(yīng)力降低趨勢(shì)更加明顯，在遠(yuǎn)離焊縫區(qū)域，呈現(xiàn)出明顯的壓應(yīng)力上升的趨勢(shì)。

圖7 垂直于焊縫方向應(yīng)力分布

圖8為沿焊縫方向的殘余應(yīng)力分布，采樣點(diǎn)如圖2所示，距離焊縫邊緣20 mm。由圖中可以看出，在沿焊縫方向上，橫向殘余應(yīng)力分布特征和縱向應(yīng)力分布特征基本一致，均表現(xiàn)出在焊縫中間區(qū)域應(yīng)力值較大，在板材兩端殘余應(yīng)力值較小。相區(qū)別于垂直于焊縫方向的應(yīng)力分布，由于取樣位置均在近焊縫區(qū)域，因此應(yīng)力分布均呈現(xiàn)拉應(yīng)力狀態(tài)，未表現(xiàn)出壓應(yīng)力。

圖8 平行于焊縫方向的應(yīng)力分布

3 結(jié)論

(1)非軸對(duì)稱旋轉(zhuǎn)電弧可以有效地解決NG-GTAW工藝側(cè)壁熔合不良的問(wèn)題，通過(guò)優(yōu)化焊接工藝參數(shù)，依據(jù)核電行業(yè)實(shí)際焊接要求將熱輸入嚴(yán)格控制在10 kJ/cm以下，焊縫均勻美觀，成形良好。

(2)在核電321不銹鋼的旋轉(zhuǎn)電弧多層單道焊接過(guò)程中，打底焊由于采用焊接參數(shù)較小，滿足熔透即可，因此近焊縫區(qū)域峰值溫度較低，約為350 ℃；填充焊時(shí)，為了提高熔覆效率在一定程度上增大了焊接效率，外加熱積累效應(yīng)，導(dǎo)致峰值溫度增高至600 ℃，此時(shí)奧氏體不銹鋼接頭將處在敏化溫度區(qū)間，蓋面焊時(shí)，為了避免咬邊去缺陷，適當(dāng)增大電弧電壓，擴(kuò)大電弧加熱范圍，可得到成形良好的焊接接頭。

(3)垂直于焊縫方向上，橫向殘余應(yīng)力和縱向殘余應(yīng)力均表現(xiàn)為拉應(yīng)力狀態(tài)，隨著與焊縫距離的增大，應(yīng)力值隨之降低，當(dāng)距離焊縫一定距離時(shí)，拉應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力，且有明顯的增大趨勢(shì)。沿焊縫方向上，均呈現(xiàn)出拉應(yīng)力狀態(tài)，距離板材邊沿較近的區(qū)域，應(yīng)力值較低，在板材中心處，應(yīng)力值較高。