TP316H不锈钢横焊位激光对接技术研究_袁亮文.pdf

第 39 卷第 11 期压力容器2022 年 11 月doi:10 3969/j issn 1001 4837 2022 11 003试 验 研 究TP316H 不锈钢横焊位激光对接技术研究袁亮文1，刘万存1，高永光1，赵佳1，张强2(1 一重集团 大连核电石化有限公司，辽宁大连116113;2 大族激光科技产业集团股份有限公司，广东深圳518052)摘要:针对第四代快中子反应堆中近 2 600 根 TP316H 管件焊接需求，进行了 TP316H 不锈钢横焊位激光对接技术研究，主要包括焊接方法选择、焊接工艺制定、焊缝成形尺寸分析、试样无损检测(PT，UT，T)以及理化性能分析。试验结果表明，焊接接头板抗拉(或拉伸)强度 m515 MPa，高温(650)棒抗拉(或拉伸)强度 m313 MPa，冲击吸收能量KV2120 J，各区域硬度200HV 以及金相组织都符合产品技术条件要求，对后续激光焊接技术应用在核电压力容器部件制造中提供了理论指导。关键词:TP316H 管件;横焊位;激光焊接;理化性能中图分类号:TH49;TQ055 8;TG456 7文献标志码:AStudy on laser butt welding technology of TP316H stainless steel tubesYUAN Liangwen1，LIU Wancun1，GAO Yongguang1，ZHAO Jia1，ZHANG Qiang2(1 CFHI Dalian Nuclear Power and Petrochemical Equipment Co，Ltd，Dalian 116113，China;2 Hans Laser Technology Industry Co，Ltd，Shenzhen 518052，China)Abstract:For the welding requirements of nearly 2 600 TP316H tube fittings in the fourth generation fast neutron reactor，TP316Hstainless steel horizontal welding position laser butt welding technology was carried out，mainly including welding method selection，welding process formulation，weld forming and size analysis，non-destructive testing of samples(PT，UT，T)and analysis ofphysical and chemical properties The test results show that the tensile(or stretching)strength of the welded joint plate ism515 MPa，high temperature(650)bar tensile(or stretching)strength is m313 MPa，the impact absorbed energy isKV2120 J，the hardness is 200HV，and the metallographic structure meet the technical requirements of the product，whichprovides theoretical guidance for the subsequent application of laser welding technology in manufacturing of nuclear powerpressure vesselsKey words:TP316H tube fitting;horizontal welding position;laser welding;physical and chemical properties收稿日期:2022 06 23修稿日期:2022 09 240引言核能已成为人类使用的重要能源，核电是电力工业的重要组成部分。核电与水电、煤电一起构成了世界能源供应的三大支柱，在世界能源结构中占有重要的地位。由于核电不造成对大气的污染排放，在人们越来越重视地球温室效应、气候变化的形势下，核电已成为世界诸多国家解决电力危机、缓解空气污染、拉动经济增长的重要选择1 5。中国的第二代、第三代反应堆是引进法国、美国的技术，在其基础上进行消化、吸收再改进形成自主技术，但中国的第四代核反应堆是不折不扣的自主创新，它包括目前较有前途的 6 种四代核堆，即:3 种快中子堆 钠冷快堆(SF)、铅冷快堆(LF)和气冷快堆(GF)，以及 3 种热中子堆 超临界水冷堆、超高温气冷堆(VHT)和熔盐堆(MS)6 7。61袁亮文，等:TP316H 不锈钢横焊位激光对接技术研究快中子反应堆(以下简称“快堆”)作为第四代核反应堆的首选堆型，可实现快堆与压水堆燃料的循环使用，是未来核电发展的主导产品8 9。但其在制造过程中存在诸多技术难点，主要包括:(1)316H 奥氏体不锈钢及配套用焊接材料国内外均无成熟产品可以直接供货;(2)由于堆容器体积庞大且薄壁，结构较试验快堆复杂，性能指标及尺寸精度等要求非常高，制造难度大;(3)项目工期紧，需要先进、可靠的焊接工艺方法进行关键部件的焊接。文中针对快堆内部近 2 600 根TP316H 管件焊接需求，进行 TP316H 不锈钢横焊位激光对接技术研究，主要包括焊接方法选择、焊接工艺制定、试样无损检测与理化性能分析，为后续工程化应用奠定基础。1激光对接技术1 1激光焊接试验设备试验设备采用高功率激光焊接设备，机器人采用库卡 KUKA60A，激光器采用 HLW 12000，具体光学配置为:光纤芯径为 100 m，聚焦为400 mm，准直为 200 mm。该高功率激光焊接设备见图 1，可以设置输出激光功率、离焦量、焊接速度、气体流量等焊接工艺参数，满足 TP316H 横焊位对接焊的要求。图 1高功率激光焊接设备Fig 1High power laser welding equipment1 2焊接工艺TP316H 不锈钢对接焊采用不开坡口、横焊位焊接，工件装卡在高精度转台上旋转，激光焊枪保持相对静止。为保证焊缝不被氧化，采用正面尾托氩气保护+管内冲氩双重保护，使得熔池成形均匀，一次实现单面焊双面成形，并保证正、反面微量余高，满足后续工艺条件。在经过平焊位、横焊位平板(厚度 t=8 mm)对接工艺试验的基础上，开展了横焊位激光对接试验，最终获得了焊缝成形良好的焊接试验件。其工艺参数见表 1。表 1TP316H 激光对接焊工艺参数Tab 1TP316H laser butt welding process parameters参数功率/kW离焦量/mm焊接速度/(mmmin1)送丝速度/(mmmin1)正面氩气流量/(Lmin1)背面氩气流量/(Lmin1)焊丝直径/mm数值8 0+156008001251 22试验材料与方法试验材料为 TP316H，尺寸为180 mm 8 mm 100 mm。将 2 节同尺寸的 TP316H 圆管进行横焊位激光对接焊，焊接过程中加入与母材化学成分一致的焊丝(1 2 mm)，焊接完成后进行 PT，UT，T 无损检测。从焊缝区、熔合区、焊接热影响区、母材区分别截取相关的力学试样、金相试样和化学试样，其中金相组织经打磨、抛光、腐蚀后，采用光学显微镜观察微观组织。母材及焊丝化学成分如表 2 所示、力学性能如表 3所示10 11。表 2TP316H 不锈钢化学成分Tab 2Chemical composition table of TP316H stainless steel%元素CCrNiMnSiPSFe数值0 0417 812 31 870 360 0150 003其余表 3TP316H 不锈钢力学性能Tab 3Mechanical properties of TP316H stainless steel项目抗拉强度m/MPa屈服强度p0 2/MPa伸长率A(%)硬度(HV)数值645312481803试验结果与分析3 1焊缝成形与无损检测TP316H 圆管对接完的正面与背面焊缝成形如图 2 所示。按照 NB/T 200032010核电厂核71PESSUE VESSEL TECHNOLOGYVol.39，No.11，2022岛机械设备无损检测，正面、背面焊缝成形良好，无咬边等缺陷。经表面加工、打磨工序后，对焊缝进行 100%的 PT，UT，T 检测，检测结果全部合格。(a)背面成形(b)正面成形图 2焊缝成形示意Fig 2Schematic diagram of weld forming3 2焊缝形状尺寸焊缝形状的合理与否对焊接质量产生很大影响，焊缝的形状一般是指焊缝横截面的形状，常用焊缝熔深 H、焊缝熔宽 B 和焊缝余高 h 来描述。通常可以使用焊缝成形系数 和余高系数 来表征焊缝成形特点12。=B/H(1)=B/h(2)利用 HJ40AC 焊接检验尺分别测量正面焊缝余高 h、背面焊缝余高 h1和正面焊缝熔宽 B、背面焊缝熔宽 B1。经过实际测量知:正面焊缝余高h=1 0 mm，背面焊缝余高 h1=0 6 mm，焊缝熔深H=8 mm，正面焊缝熔宽 B=6 5 mm，背面焊缝熔宽 B1=4 5 mm。根据式(1)(2)计算可知，正面焊缝成形系数 =0 81，背面焊缝成形系数1=0 56，正面余高系数 =6 50，背面余高系数 1=7 50。在 TP316H 对接焊过程中，焊缝需要满足单面焊双面成形的全熔透与余高的控制条件，并在满足全熔透的条件下，尽量选用较小的焊缝成形系数(一般 0 501 00)，可以缩小焊缝宽度的无效加热区域，进而提高激光焊接过程中的热效率及减小热影响区。由式(1)(2)计算可知，焊缝成形系数、余高系数 均在合理控制范围内，同时避免了激光对接接头内部出现气孔、夹渣及裂纹的趋势，保证了焊接接头质量，焊缝横截面如图 3 所示。图 3焊缝横截面Fig 3Weld cross section3 3接头组织分析采用倒置式金相显微镜，按照 GB/T 132982015金属显微组织检验方法，对其焊缝横截面区域，包括母材、焊缝金属、热影响区的金相组织进行检测，腐蚀剂选用 10%草酸电解溶液12。母材、焊缝、热影响区微观组织形貌见图 4。图 4母材、焊缝、热影响区微观组织形貌Fig 4Microstructure morphology of base metal，weld and HAZ81袁亮文，等:TP316H 不锈钢横焊位激光对接技术研究金相组织结果显示:母材为奥氏体组织(见图 4(a);焊缝为奥氏体+铁素体组织(见图 4(b);热影响区为奥氏体组织(见图 4(c)。试样均未显微裂纹和影响接头性能的沉淀物，满足技术条件要求。3 4力学性能3 4 1冲击性能该试验是测定金属材料抗缺口敏感性(韧性)的试验，执行 GB/T 26502008焊接接头冲击试验方法，由于试料不够制备标准尺寸试样，最终试样加工尺寸为 5 mm 10 mm 55 mm。采用摆锤式冲击试验机进行20 焊接热影响区、焊缝区、母材区的夏比摆锤冲击试验。冲击试验断口见图 5，不同区域的冲击试验结果见表 4。从表 4、图 5可以看出，全部试样断口的剪切断面率为 100%，焊缝区、热影响区、母材区韧性优越，满足技术条件要求的验收值，其中各区域最低验收值分别为:焊缝区的冲击吸收能量 KV290 J，热影响区的 KV2105 J，母材区的KV2150 J。图 5冲击试样Fig 5Impact test specimen表 4冲击性能试验结果Tab 4Test results of impact properties试验温度/取样区