專利名稱：殼法蘭窄間隙埋弧焊焊接工藝的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種殼法蘭窄間隙埋弧焊焊接工藝。
背景技術：
二十世紀六七十年代，核能發電技術得到長足發展，在九十年代末核能界將核電發展分為四代20世紀五六十年代建造的原型核電廠稱為第一代核電(Gen I )；從70年代開始建造的大型商業化核電廠一直運行到現在，屬于第二代(Gen II);第三代(Gen III)是90年代開發的、在安全和經濟上有相當幾個改進的核電廠設計，改進還在繼續，入AP600/AP1000，形成Gen III+，就是被稱為改革型的那一類；第四代核能(Gen IV)是針對長期規劃提出的，有望2030年或更早推向市場的新一代核能系統，不但指核電廠本身也包括燃料循環。AP1000是由美國西屋公司在AP600的基礎上總體開發設計，二回路百萬千瓦級的壓水堆核電廠，具有非能動安全特性，是第一個獲得美國核管會最終批準的第三代+核電設計。·
AP 1000技術的主泵即反應堆冷卻劑泵作為一回路的主要部件，其總體結構及冷卻方式都是全新的。如圖2所示，殼法蘭做為主泵的主要壓力邊界外殼，主要承擔著支撐保護及防止冷卻劑泄露的作用。以往的屏蔽電機外殼均采用手工電弧焊或熔化極氣體保護焊，焊接勞動強度大、效率低并且質量不易保證，返修率很高。埋弧焊作為一種高效、優質的焊接方法，在工業生產中已得到了廣泛焊接工藝。尤其對于大厚壁筒體結構的對接坡口，通過采用埋弧焊方法均可獲得美觀、高質量的焊縫。而窄間隙埋弧焊由于坡口角度較窄(一般為1.5° 4° )，在同樣的熱輸入條件下，其熱影響區極為窄小，因此可得到沖擊韌性更高的焊接接頭。但同樣是由于坡口狹窄，對焊道如何布置，如何調配電流、電壓和焊接速度等參數以及避免出現側壁未熔合缺陷，已成為窄間隙埋弧焊接過程中的難點和挑戰。AP1000主泵的設計規范書承諾的使用壽命為60年，而殼法蘭作為防泄露保護外殼，無論母材還是焊縫在漫長的服役期間均將承受高壓。因此對于其焊接接頭的檢驗要求是相當嚴格的，一旦經射線探傷發現較深區域的缺欠，將有可能造成整個部件的報廢。因此迫切需要在殼法蘭的窄間隙埋弧焊接過程中，采用一整套準確、穩定和合理的工藝體系方法進行指導和控制質量。

發明內容
本發明的目的是建立一個高效、穩定及運用靈活的殼法蘭窄間隙埋弧焊焊接工藝，能夠實現大厚壁筒型殼法蘭的窄間隙埋弧焊接。本發明的技術方案為一種殼法蘭窄間隙埋弧焊焊接工藝1)建立窄間隙埋弧工作站，采用質量穩定可靠的埋弧焊電源、行走機構以及配套設施是保證焊接穩定的前提，保證殼法蘭在防竄動滾輪架上的平衡量為±0. 20mm ；采用具有緩降外特性的埋弧焊電源，以取得更加快捷的電流調節(Λ I)和自身調節靈敏度，以保證送絲的穩定性；2)設計合理的坡口角度及型式，將壁厚140mm的殼法蘭設計成通過止口定位，單側坡口角度4°的筒型合縫坡口；
3)進行焊接工藝評定，選擇合理的匹配性焊接材料，并對焊接接頭進行拉伸、彎曲和沖擊等機械力學性能試驗，驗證焊縫的可靠性和可適用性，通過焊絲和焊劑的匹配性試驗，選擇合理的埋弧焊組合焊材，對于殼法蘭的碳鋼段，由于母材采用美國機械工程師學會標準的材料(ASME SA516Gr. 70)，因此選擇美國焊接協會的焊材(Φ2. 4mm的HlllK焊絲)和美國林肯公司生產的(Lincoln 880M)焊劑；而對于不銹鋼段的焊縫，選擇按照美國焊接協會標準生產的不銹鋼焊絲(Φ I. 6mm的ER309焊絲)和專門用于不銹鋼焊接蘇德克公司的焊劑(Soudakay IND24)；
4)尋求匹配的電流、電壓以及焊接速度參數，由于熱輸入在此案例中為重要變素，因此按照以下公式熱輸入=電流(I) X電壓(U) X60/焊接速度在焊接工藝評定允許的熱輸入范圍內尋求能夠電弧燃燒穩定，焊道成型良好的參數匹配；具體的焊接參數為碳鋼部分電流380 400A電壓33 34V焊接速度420mm/min不銹鋼部分電流280 300A 電壓32 33V焊接速度350mm/min5)對窄間隙坡口的焊道布置、壓道量以及焊絲距離側壁的距離均應嚴格要求，如焊道布置或壓道量不合理，容易產生裂紋、氣孔等缺陷；而如焊絲距離側壁的尺寸控制不當，則易產生未熔合的缺陷；因此對于窄間隙坡口埋弧焊，第一層應在接頭的中間焊接一道熔敷金屬，以后每層兩道，焊絲與坡口壁間距保持3. 2-4. 0mm，在接頭的頂部，根據距離情況可每層熔敷兩道以上；6)對起弧電流、焊絲伸出長度、環形焊縫搭接、焊劑堆高等技術環節細化，起弧電流設置為90A，保證正常的起弧和良好的焊道端部成形；焊絲伸出長度27 29mm，確保電弧燃燒穩定，并不易沾絲；電極角度8 10°，以便電弧吹力使焊道成型美觀，魚鱗紋更加均勻；環形焊道搭接量為30mm，對起弧部分薄弱區域重新熔化，保證焊接質量；電流極性采用直流反接(DCEP)，獲得較大的熔深和穩定的熔池，7)對溫度的控制，由于埋弧焊屬于熱輸入比較大的焊接方法，對于預熱溫度及層間溫度要嚴格控制，對于碳鋼部分,預熱溫度最小66° ,層間溫度最大230°對于不銹鋼部分,預熱溫度最小15° ,層間溫度最大176°通過控制溫度，避免由于熱輸入過大而產生的熱裂紋。本發明通過建立高效、穩定及運用靈活的窄間隙埋弧焊接工藝體系，在國內首次完成了 AP1000核電技術的反應堆冷卻劑泵的殼法蘭窄間隙埋弧焊接，一次性通過了焊縫的射線探傷檢查(RT)，實現了殼法蘭的機動化焊接，大大提高了生產效率和焊接質量。一條殼法蘭窄間隙埋弧焊縫的熔化金屬量約為1024kg，如采用傳統焊接方法，熔敷金屬重量約為1500kg，焊接材料重量節約了大約1/2。采用窄間隙埋弧焊方法進行殼法蘭的焊接周期為3天；如采用手工電弧焊則約為15天；而采用熔化極氣體保護焊約為10天，可以看出通過采用本發明的工藝方案大大縮短了制造周期。本發明采用新型機動焊方法，背部不需要清根即可完全熔透；并且埋弧焊為非明弧操作，大大改善了操作者的勞動環境、降低了安全隱患。本發明是類似屏蔽電機機殼法蘭在焊接 方法及工藝上的巨大突破，實現了機動化埋弧焊接，節約熔化金屬重量1/2，縮短生產周期70%，大幅度提高焊接質量及降低焊接返修率。本發明在焊接專業領域內進一步提高了窄間隙埋弧焊焊接工藝水平，摸索完善了運用埋弧焊焊接合金結構鋼及奧氏體不銹鋼的各種參數匹配，為以后埋弧焊技術的發展及創新積累了豐富的數據和可借鑒的經驗。


圖I為埋弧焊電源外特型2為殼法蘭及窄間隙坡口形式結構3為合理的距側壁距離及焊道布置
具體實施例方式一種殼法蘭窄間隙埋弧焊焊接工藝1)建立窄間隙埋弧工作站，采用質量穩定可靠的埋弧焊電源、行走機構以及配套設施是保證焊接穩定的前提。保證殼法蘭在防竄動滾輪架上的平衡量為±0. 20mm ；如圖I所示，采用具有緩降外特性的埋弧焊電源，以取得更加快捷的Λ I和自身調節靈敏度，以保證送絲的穩定性；2)設計合理的坡口角度及型式，將壁厚140mm的殼法蘭設計成通過止口定位，單側坡口角度4°的筒型合縫坡口；3)進行焊接工藝評定，選擇合理的匹配性焊接材料，并對焊接接頭進行拉伸、彎曲和沖擊等機械力學性能試驗，驗證焊縫的可靠性和可適用性。通過焊絲和焊劑的匹配性試驗，選擇合理的埋弧焊組合焊材，對于殼法蘭的碳鋼段，由于母材采用美國機械工程師學會標準的材料(ASME SA516Gr. 70)，因此選擇美國焊接協會的焊材(EH11K焊絲)和美國林肯公司生產的(Lincoln 880M)焊劑；而對于不銹鋼段的焊縫，選擇按照美國焊接協會標準生產的不銹鋼焊絲(ER309)和專門用于不銹鋼焊接蘇德克公司的焊劑(Soudakay IND24)；4)尋求匹配的電流、電壓以及焊接速度參數，由于熱輸入在此案例中為重要變素，因此按照以下公式熱輸入=電流(I)X電壓(U)X60/焊接速度在焊接工藝評定允許的熱輸入范圍內尋求能夠電弧燃燒穩定，焊道成型良好的參數匹配；具體的焊接參數為碳鋼部分電流380 400A電壓33 34V焊接速度420mm/mi η不銹鋼部分電流280 300Α 電壓32 33V焊接速度350mm/min5)如圖3所示，對窄間隙坡口的焊道布置、壓道量以及焊絲距離側壁的距離均應嚴格要求，如焊道布置或壓道量不合理，容易產生裂紋、氣孔等缺陷；而如焊絲距離側壁的尺寸控制不當，則易產生未熔合的缺陷；因此對于窄間隙坡口埋弧焊，第一層應在接頭的中間焊接一道熔敷金屬，以后每層兩道，焊絲與坡口壁間距保持3. 2-4. 0mm。在接頭的頂部，根據距離情況可每層熔敷兩道以上。6)對起弧電流、焊絲伸出長度、環形焊縫搭接、焊劑堆高等技術環節細化。起弧電流設置為90A，保證正常的起弧和良好的焊道端部成形；焊絲伸出長度27 29mm，確保電弧燃燒穩定，并不易沾絲；電極角度8 10°，以便電弧的吹力使焊道成型美觀，魚鱗紋更加均勻； 環形焊道搭接量為30mm，對起弧部分薄弱區域重新熔化，保證焊接質量；電流極性采用直流反接(DCEP)，獲得較大的熔深和穩定的熔池。7)對溫度的控制，由于埋弧焊屬于熱輸入比較大的焊接方法，對于預熱溫度及層間溫度要嚴格控制，對于碳鋼部分,預熱溫度最小66° ,層間溫度最大230°對于不銹鋼部分,預熱溫度最小15° ,層間溫度最大176°通過控制溫度，避免由于熱輸入過大而產生的熱裂紋。
權利要求
1.一種殼法蘭窄間隙埋弧焊焊接工藝，其特征是 1)建立窄間隙埋弧工作站，采用質量穩定可靠的埋弧焊電源、行走機構以及配套設施是保證焊接穩定的前提，保證殼法蘭在防竄動滾輪架上的平衡量為±0. 20mm ； 采用具有緩降外特性的埋弧焊電源，以取得更加快捷的電流調節(Λ I)和自身調節靈敏度，以保證送絲的穩定性； 2)設計合理的坡口角度及型式，將壁厚140mm的殼法蘭設計成通過止口定位，單側坡口角度4°的筒型合縫坡口 ； 3)進行焊接工藝評定，選擇合理的匹配性焊接材料，并對焊接接頭進行拉伸、彎曲和沖擊等機械力學性能試驗，驗證焊縫的可靠性和可適用性，通過焊絲和焊劑的匹配性試驗，選擇合理的埋弧焊組合焊材，對于殼法蘭的碳鋼段，由于母材采用美國機械工程師學會標準的材料(ASME SA516Gr. 70)，因此選擇美國焊接協會的焊材(Φ2. 4mm的HlllK焊絲)和美國林肯公司生產的(Lincoln 880M)焊劑；而對于不銹鋼段的焊縫，選擇按照美國焊接協會標準生產的不銹鋼焊絲(Φ I. 6mm的ER309焊絲)和專門用于不銹鋼焊接蘇德克公司的焊劑(Soudakay IND24)； 4)尋求匹配的電流、電壓以及焊接速度參數，由于熱輸入在此案例中為重要變素，因此按照以下公式 熱輸入=電流(I) X電壓(U) X60/焊接速度 在焊接工藝評定允許的熱輸入范圍內尋求能夠電弧燃燒穩定，焊道成型良好的參數匹配； 具體的焊接參數為碳鋼部分電流380 400A電壓33 34V 焊接速度420mm/min 不銹鋼部分電流280 300A電壓32 33V 焊接速度350mm/min 5)對窄間隙坡口的焊道布置、壓道量以及焊絲距離側壁的距離均應嚴格要求，如焊道布置或壓道量不合理，容易產生裂紋、氣孔等缺陷；而如焊絲距離側壁的尺寸控制不當，則易產生未熔合的缺陷； 因此對于窄間隙坡口埋弧焊，第一層應在接頭的中間焊接一道熔敷金屬，以后每層兩道，焊絲與坡口壁間距保持3. 2-4. 0mm，在接頭的頂部，根據距離情況可每層熔敷兩道以上； 6)對起弧電流、焊絲伸出長度、環形焊縫搭接、焊劑堆高等技術環節細化， 起弧電流設置為90A，保證正常的起弧和良好的焊道端部成形； 焊絲伸出長度27 29mm，確保電弧燃燒穩定，并不易沾絲； 電極角度8 10°，以便電弧吹力使焊道成型美觀，魚鱗紋更加均勻； 環形焊道搭接量為30mm，對起弧部分薄弱區域重新熔化，保證焊接質量； 電流極性采用直流反接(DCEP)，獲得較大的熔深和穩定的熔池， 7)對溫度的控制，由于埋弧焊屬于熱輸入比較大的焊接方法，對于預熱溫度及層間溫度要嚴格控制， 對于碳鋼部分，預熱溫度最小66° ,層間溫度最大230° 對于不銹鋼部分，預熱溫度最小15°，層間溫度最大176°通過控制溫度，避免由于熱輸入過大而產生的熱裂紋 。
全文摘要
本發明涉及一種殼法蘭窄間隙埋弧焊焊接工藝，按照窄間隙坡口形式機加工坡口，將殼法蘭組裝成整體，將殼法蘭放置在防軸向竄動滾輪架上調平，按照合理的工藝規范進行窄間隙埋弧焊接。本發明是類似屏蔽電機機殼法蘭在焊接方法及工藝上的巨大突破，實現了機動化埋弧焊接，節約熔化金屬重量1/2，縮短生產周期70%，大幅度提高焊接質量及降低焊接返修率。
文檔編號B23K9/18GK102941403SQ20121053690
公開日2013年2月27日 申請日期2012年12月13日 優先權日2012年12月13日
發明者劉大為, 宋丹, 李夢啟, 李雅范, 張韻曾, 杜雷 申請人:哈爾濱電氣動力裝備有限公司