技术领域
[0001] 本
发明涉及核电站的钢制安全壳，更具体地说，本发明涉及一种核电站钢制安全壳的窄U型坡口及其自动焊接方法。
背景技术
[0002] 核电站钢制安全壳是重要核安全二级设备，至下而上由底封头、筒体、顶封头构成一个
压力容器。整个钢制安全壳是将约260
块平均厚度约44mm的弧形钢板在施工现场组焊而成，属核电建造领域中典型的大型焊接工程，其焊接效率和
质量直接制约着核电站建造周期和建造成本。
[0003] 有人发明了一种窄间隙坡口，其包括上坡口、下坡口和底部钝边，以提高焊接效率和
焊缝质量。然而，该窄间隙坡口的上坡口与下坡口、下坡口与钝边的连接处均存在坡度突变点，不但对底部的组装间隙有极高的
精度要求，还增加了焊接未熔合
缺陷的发生几率；此外，经计算，该窄间隙坡口的实际坡口区域和
焊接区域的最小面积为338.5mm2，最大面积为2 2
505.5mm ，平均面积为422mm ，由于其面积仍较大，相应的焊接加工周期较长、材料成本较高。
[0004] 有鉴于此，确有必要提供一种焊接加工周期较短、材料成本较低且避免产生未熔合缺陷的核电站钢制安全壳的窄U型坡口及其自动焊接方法。
发明内容
[0005] 本发明的目的在于：克服现有核电站钢制安全壳的窄坡口中存在的不足，提供一种焊接加工周期较短、材料成本较低且避免产生未熔合缺陷的核电站钢制安全壳的窄U型坡口及其自动焊接方法。
[0006] 为了实现上述发明目的，本发明提供了一种核电站钢制安全壳的窄U型坡口，其包括底部凸台、弧面部和平面部，底部凸台与弧面部的底部相切连接，弧面部的顶部与平面部的底部相切连接。
[0007] 本发明核电站钢制安全壳的窄U型坡口，由于其底部凸台与弧面部的底部相切连接，弧面部的顶部与平面部的底部相切连接，所以底部凸台的宽度，弧面部的高度和宽度均与弧面部半径相等。
[0008] 作为本发明核电站钢制安全壳的窄U型坡口的一种改进，所述底部凸台的垂直高度为3～3.5mm。
[0009] 作为本发明核电站钢制安全壳的窄U型坡口的一种改进，所述弧面部的半径为3～4mm。
[0010] 作为本发明核电站钢制安全壳的窄U型坡口的一种改进，所述平面部的
角度为2～4°，高度为30.8～41.6mm，宽度为1.1～3.0mm。
[0011] 为了实现上述发明目的，本发明还提供了一种核电站钢制安全壳的窄U型坡口的自动焊接方法，其包括如下步骤：
[0012] (1)使安全壳
母材的相对端部形成窄U型坡口；
[0013] (2)对底部凸台和弧面部进行旋转摆动打底焊接，形成打底焊道；
[0014] (3)对平面部进行多层旋转摆动填充焊接，形成填充焊道；
[0015] (4)对平面部的顶部进行直线摆动盖面焊接，形成盖面焊道。
[0016] 作为本发明核电站钢制安全壳的窄U型坡口的自动焊接方法的一种改进，在步骤(2)之前，先在底部凸台的底部安装
衬垫，可降低组装间隙的精度要求，并可降低焊接过程中烧穿的
风险。
[0017] 作为本发明核电站钢制安全壳的窄U型坡口的自动焊接方法的一种改进，所述衬垫为陶瓷衬垫或
铜衬垫，其宽度为25～40mm，高度为5～12mm。
[0018] 作为本发明核电站钢制安全壳的窄U型坡口的自动焊接方法的一种改进，所述衬垫采用耐高温粘胶安装固定于底部凸台的底部。
[0019] 作为本发明核电站钢制安全壳的窄U型坡口的自动焊接方法的一种改进，步骤(2)中，所述打底焊接时，衬托打底焊接熔敷金属的凹槽宽度为5～10mm，最大高度为1～3mm。
[0020] 作为本发明核电站钢制安全壳的窄U型坡口的自动焊接方法的一种改进，所述步骤(2)的打底焊接参数设定如下：平均
电流70～130A，
电压18～23V，焊接速度5～12cm/min；焊接过程中，扁平
喷嘴固定不动，弯曲导电嘴以自身轴线I-I为中心进行对称旋转，弯曲导电嘴的弯曲角度为6～12°，
电弧从坡口一侧旋转至另一侧经过的角度为30～50°，电弧从坡口一侧旋转至另一侧经过的
角速度为190～240°/s，电弧在坡口两侧的
停留时间为0.5～
1.0s。
[0021] 作为本发明核电站钢制安全壳的窄U型坡口的自动焊接方法的一种改进，所述步骤(3)的填充焊接参数设定如下：平均电流80～160A，电压19～26V，焊接速度6～15cm/min；焊接过程中，扁平喷嘴固定不动，弯曲导电嘴以自身轴线II-II为中心进行对称旋转，随着填充坡口宽度增加，弯曲导电嘴的弯曲角度由6～12°逐渐增加至10～20°，电弧从坡口一侧旋转至另一侧经过的角度由30～50°逐渐增加至45～90°，电弧从坡口一侧旋转至另一侧经过的角速度为150～230°/s，电弧在坡口两侧的停留时间为0.6～1.2s。
[0022] 作为本发明核电站钢制安全壳的窄U型坡口的自动焊接方法的一种改进，所述步骤(4)的盖面焊接参数设定如下：平均电流100～140A，电压19～23V，焊接速度6～12cm/min；焊接过程中，筒形喷嘴和直线导电嘴在坡口两侧来回直线摆动，摆动幅度为13～18mm，电弧从坡口一侧摆动至另一侧的速度为100～180cm/min，电弧在坡口两侧的停留时间为0.6～0.8s。
[0023] 作为本发明核电站钢制安全壳的窄U型坡口的自动焊接方法的一种改进，所述焊接的保护气体是体积比为75～95％Ar与5～25％CO2的活性混合气体，气体流量15～30L/min。
[0024] 作为本发明核电站钢制安全壳的窄U型坡口的自动焊接方法的一种改进，焊接使用的
焊丝是实心焊丝，直径为1.0～1.2mm。
[0025] 与
现有技术相比，本发明具有如下优点：
[0026] (1)本发明减小了焊接坡口尺寸，从而减小了焊接填充了和坡口加工量，所得核电站钢制安全壳的窄U型坡口的面积显著减少，因此可缩短焊接周期和坡口加工周期，还可降低焊材采购成本和坡口加工成本；本发明坡口面积计算方法请结合参阅图1，具体如下：实际坡口区域和焊接区域为图1中的阴影区域Y2，此区域的面积S2＝0.5πR2+0.5[2R+2R+2(B-B1-R)tanβ]×(B-B1-R)。可见：
[0027] 当B1取最大值、β取最小值，面积S2最小，其值为S2＝0.5πR2+0.5[4R+2(B-3.5-R)tan2°]×(B-3.5-R)＝(0.5π-2+tan2°)R2+(2B-7)(1-tan2°)R+(B-3.5)2tan2°。此时若R最小，即为3mm时，有最小面积S2＝9(0.5π-2+tan2°)+3(2B-7)(1-tan2°)+(B-3.5)2tan2°；
[0028] 当B1取最小值、β取最大值，面积S2最大，其值为S2＝0.5πR2+0.5[4R+2(B-3-R)tan4°]×(B-3-R)＝(0.5π-2+tan4°)R2+(2B-6)(1-tan4°)R+(B-3)2tan4°。此时若R最大，即为4mm时，有最大面积S2＝16(0.5π-2+tan4°)+4(2B-6)(1-tan4°)+(B-3)2tan4°。
[0029] 现有的钢制安全壳平均板厚B为44mm，因此可得本发明核电站钢制安全壳的窄U型坡口的实际坡口区域和焊接区域的最小面积为297.5mm2，最大面积416.8mm2，平均面积357mm2，明显小于现有的窄间隙坡口；
[0030] (2)本发明核电站钢制安全壳的窄U型坡口的整个坡口面圆滑过渡，不存在坡度突变点，降低产生未熔合缺陷的几率；
[0031] (3)本发明在打底焊接时通过采用衬垫，可降低组装间隙的精度要求，还可减少焊接中烧穿的风险；
[0032] (4)本发明采用扁平喷嘴固定伴随导电嘴
旋转焊接技术，随着填充坡口宽度的增加，导电嘴的弯曲角度和导电嘴旋转经过的角度逐渐增加，使电弧与小角度坡口
侧壁的距离相等，保证坡口侧壁的熔深，解决了坡口尺寸减小易造成坡口侧壁未熔合的焊接质量问题。
附图说明
[0033] 下面结合附图和具体实施方式，对本发明核电站钢制安全壳的窄U型坡口及其自动焊接方法、有益效果进行详细说明。
[0034] 图1为本发明核电站钢制安全壳的窄U型坡口的实际坡口区域和焊接区域的面积计算示意图。
[0035] 图2为本发明核电站钢制安全壳的窄U型坡口结构示意图。
[0036] 图3为本发明核电站钢制安全壳的窄U型坡口底部安装有衬垫的结构示意图；
[0037] 图4为本发明核电站钢制安全壳的窄U型坡口的焊接方法中，安装有衬垫步骤(2)的焊接示意图。
[0038] 图5为本发明核电站钢制安全壳的窄U型坡口的焊接方法中，步骤(3)的焊接示意图。
[0039] 图6为为本发明核电站钢制安全壳的窄U型坡口的焊接方法中，步骤(4)的焊接示意图。
[0040] 附图标记对照表：
[0041] 1001-底部凸台；1003-弧面部；1005-平面部；201-衬垫；2001-扁平喷嘴；2002-筒形喷嘴；2003-弯曲导电嘴；ε1-弯曲导电嘴的弯曲角度；α1-电弧从坡口一侧旋转至另一侧经过的角度；2004-直线导电嘴；Y2-本发明核电站钢制安全壳的窄U型坡口的实际坡口区域和焊接区域的面积；B-钢制安全壳板的厚度；B1-底部凸台的垂直高度；B2-钢制安全壳板的厚度减去底部凸台的垂直高度所得差值；R-弧面部的半径；β-平面部的角度；G1-衬垫高度；G2-衬托打底焊道熔敷金属的凹槽的高度；K1-衬垫宽度；K2-衬托打底焊道熔敷金属的凹槽的宽度。
具体实施方式
[0042] 为了使本发明的发明目的、技术方案和有益技术效果更加清晰，以下结合
实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解的是，本
说明书中描述的实施例仅仅是为了解释本发明，并非为了限定本发明，实施例的配方、比例等可因地制宜做出选择而对结果并无实质性影响。
[0043] 请参阅图2，本发明核电站钢制安全壳的窄U型坡口包括底部凸台1001、弧面部1003和平面部1005，底部凸台1001与弧面部1003的底部相切连接，弧面部1003的顶部与平面部1005的底部相切连接。
[0044] 本发明一个具体实施例中，底部凸台1001的垂直高度B1为3.2mm，弧面部1003的半径R为3.5mm，平面部1005的角度β为3°，高度B2为37.8mm。
[0045] 请参阅图3～6，本发明核电站钢制安全壳的窄U型坡口自动焊接方法中，焊接时的保护气体是体积比为80％Ar与20％CO2的活性混合气体，气体流量25L/min。焊接使用的焊丝是实心焊丝，直径为1.2mm；具体包括以下步骤：
[0046] (1)使安全壳母材(图中未标示)的相对端部形成图1所示的窄U型坡口；
[0047] (2)使用耐高温粘胶将陶瓷衬垫201安装在底部凸台的底部，衬垫201的宽度K1为30mm，高度G1为8mm；
[0048] 打底焊接：设定焊接时的平均电流为95A，电压为20V，焊接速度为7.5cm/min；焊接过程中，扁平喷嘴2001固定不动，弯曲角度ε1为9°的弯曲导电嘴2003以自身轴线I-I为中心进行对称旋转，对底部凸台1001和弧面部1003进行摆动打底焊接，电弧从坡口一侧旋转至另一侧经过的角度α1为45°、角速度为220°/s，电弧在坡口两侧的停留时间为0.7s，以此方法形成打底焊道；衬托打底焊接熔敷金属的凹槽宽度K2为9mm，最大高度G2为1.5mm；
[0049] (3)对平面部1005进行多层旋转摆动填充焊接：
[0050] 设定焊接时的平均电流为130A，电压为22V，焊接速度为8cm/min；焊接过程中，扁平喷嘴2001固定不动，弯曲角度ε1由12°逐渐增加至18°的弯曲导电嘴2003以自身轴线II-II为中心进行对称旋转，随着填充坡口宽度增加，电弧从坡口一侧旋转至另一侧经过的角度α1由55°逐渐增加至85°，电弧从坡口一侧旋转至另一侧经过的角速度为200°/s，电弧在坡口两侧的停留时间为0.85s，以此方法形成填充焊道；
[0051] (4)对平面部1005的顶部进行直线摆动盖面焊接：
[0052] 设定焊接时的平均电流为120A，电压为21V，焊接速度为10cm/min；焊接过程中，筒形喷嘴2002和直线导电嘴2004在坡口两侧来回直线摆动，摆动幅度为16mm，电弧从坡口一侧摆动至另一侧的速度为150cm/min，电弧在坡口两侧的停留时间为0.7s，以此方法形成盖面焊道。
[0053] 本发明通过在核电站钢制安全壳上采用窄U型坡口，使其平均面积明显减少，降低了成本，缩短了坡口的焊接和加工周期；整个窄U型坡口圆滑过渡，可避免产生未熔合缺陷；通过使用扁平嘴固定伴随导电嘴旋转自动焊接技术，解决了坡口尺寸减少导致的坡口侧壁未熔合的焊接质量问题，提高了焊接效率，缩短了焊接周期。
[0054] 根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行适当的变更和
修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的
权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。
