[0001] 技术领域：本
发明涉及一种壳法兰窄间隙埋弧焊焊接工艺。
[0002] 背景技术：二十世纪六七十年代，核能发电技术得到长足发展，在九十年代末核能界将核电发展分为四代：20世纪五六十年代建造的
原型核电厂称为第一代核电（Gen I )；从70年代开始建造的大型商业化核电厂一直运行到现在，属于第二代（Gen II);第三代(Gen III)是90年代开发的、在安全和经济上有相当几个改进的核电厂设计，改进还在继续，入AP600/AP1000，形成Gen III+，就是被称为改革型的那一类；第四代核能（Gen IV)是针对长期规划提出的，有望2030年或更早推向市场的新一代核能系统，不但指核电厂本身也包括
燃料循环。AP1000是由美国西屋公司在AP600的
基础上总体开发设计，二回路百万千瓦级的压
水堆核电厂，具有非能动安全特性，是第一个获得美国核管会最终批准的第三代+核电设计。·[0003] AP 1000技术的主
泵即反应堆冷却剂泵作为一回路的主要部件，其总体结构及冷却方式都是全新的。如图2所示，壳法兰做为主泵的主要压
力边界
外壳，主要承担着
支撑保护及防止冷却剂泄露的作用。
[0004]以往的屏蔽
电机外壳均采用手工
电弧焊或
熔化极气体保护焊，焊接劳动强度大、效率低并且
质量不易保证，返修率很高。埋弧焊作为一种高效、优质的焊接方法，在工业生产中已得到了广泛焊接工艺。尤其对于大厚壁筒体结构的对接坡口，通过采用埋弧焊方法均可获得美观、高质量的
焊缝。而窄间隙埋弧焊由于坡口
角度较窄(一般为1.5°〜4° )，在同样的热输入条件下，其热影响区极为窄小，因此可得到冲击韧性更高的焊接接头。但同样是由于坡口狭窄，
对焊道如何布置，如何调配
电流、
电压和焊接速度等参数以及避免出现
侧壁未熔合
缺陷，已成为窄间隙埋弧焊接过程中的难点和挑战。
[0005] AP1000主泵的设计规范书承诺的使用寿命为60年，而壳法兰作为防泄露保护外壳，无论
母材还是焊缝在漫长的服役期间均将承受高压。因此对于其焊接接头的检验要求是相当严格的，一旦经射线探伤发现较深区域的缺欠，将有可能造成整个部件的报废。因此迫切需要在壳法兰的窄间隙埋弧焊接过程中，采用一整套准确、稳定和合理的工艺体系方法进行指导和控制质量。发明内容：
[0006] 本发明的目的是建立一个高效、稳定及运用灵活的壳法兰窄间隙埋弧焊焊接工艺，能够实现大厚壁筒
型壳法兰的窄间隙埋弧焊接。本发明的技术方案为：
[0007] 一种壳法兰窄间隙埋弧焊焊接工艺：1)建立窄间隙埋弧工作站，采用质量稳定可靠的埋弧焊电源、行走机构以及配套设施是保证焊接稳定的前提，保证壳法兰在防窜动滚轮架上的平衡量为±0. 20mm ；
[0008] 采用具有缓降外特性的埋弧焊电源，以取得更加快捷的电流调节（Λ I)和自身调节灵敏度，以保证送丝的
稳定性；
[0009] 2)设计合理的坡口角度及型式，将壁厚140mm的壳法兰设计成通过止口
定位，单侧坡口角度4°的筒型合缝坡口；[0010] 3)进行焊接工艺评定，选择合理的匹配性焊接材料，并对焊接接头进行拉伸、弯曲和冲击等机械力学性能试验，验证焊缝的可靠性和可适用性，通过
焊丝和焊剂的匹配性试验，选择合理的埋弧焊组合焊材，对于壳法兰的
碳钢段，由于母材采用美国机械工程师学会标准的材料（ASME SA516Gr. 70)，因此选择美国焊接协会的焊材（Φ2. 4mm的HlllK焊丝)和美国林肯公司生产的（Lincoln 880M)焊剂；而对于
不锈钢段的焊缝，选择按照美国焊接协会标准生产的不锈钢焊丝（Φ I. 6mm的ER309焊丝)和专
门用于不锈钢焊接苏德克公司的焊剂（Soudakay IND24)； [0011] 4)寻求匹配的电流、电压以及焊接速度参数，由于热输入在此案例中为重要变素，因此按照以下公式：
[0012] 热输入=电流（I) X电压（U) X60/焊接速度
[0013] 在焊接工艺评定允许的热输入范围内寻求能够电弧燃烧稳定，焊道成型良好的参数匹配；
[0014] 具体的焊接参数为
碳钢部分：电流380〜400A电压33〜34V
[0015]焊接速度 420mm/min
[0016] 不锈钢部分：电流280〜300A 电压32〜33V
[0017]焊接速度 350mm/min
[0018] 5)对窄间隙坡口的焊道布置、压道量以及焊丝距离侧壁的距离均应严格要求，如焊道布置或压道量不合理，容易产生裂纹、气孔等缺陷；而如焊丝距离侧壁的尺寸控制不当，则易产生未熔合的缺陷；
[0019] 因此对于窄间隙坡口埋弧焊，第一层应在接头的中间焊接一道熔敷金属，以后每层两道，焊丝与坡口壁间距保持3. 2-4. 0mm，在接头的顶部，根据距离情况可每层熔敷两道以上；
[0020] 6)对起弧电流、焊丝伸出长度、环形焊缝搭接、焊剂堆高等技术环节细化，
[0021] 起弧电流设置为90A，保证正常的起弧和良好的焊道端部成形；
[0022] 焊丝伸出长度27〜29mm，确保电弧燃烧稳定，并不易沾丝；
[0023]
电极角度8〜10°，以便电弧吹力使焊道成型美观，鱼鳞纹更加均匀；
[0024] 环形焊道搭接量为30mm，对起弧部分薄弱区域重新熔化，保证焊接质量；
[0025] 电流极性采用直流反接（DCEP)，获得较大的熔深和稳定的熔池，
[0026] 7)对
温度的控制，由于埋弧焊属于热输入比较大的焊接方法，对于预热温度及层间温度要严格控制，
[0027] 对于碳钢部分,预热温度最小66° ,层间温度最大230°
[0028] 对于不锈钢部分,预热温度最小15° ,层间温度最大176°
[0029] 通过控制温度，避免由于热输入过大而产生的热裂纹。
[0030] 本发明通过建立高效、稳定及运用灵活的窄间隙埋弧焊接工艺体系，在国内首次完成了 AP1000核电技术的反应堆冷却剂泵的壳法兰窄间隙埋弧焊接，一次性通过了焊缝的射线探伤检查（RT)，实现了壳法兰的机动化焊接，大大提高了生产效率和焊接质量。
[0031] 一条壳法兰窄间隙埋弧焊缝的熔化金属量约为1024kg，如采用传统焊接方法，熔敷金属重量约为1500kg，焊接材料重量节约了大约1/2。采用窄间隙埋弧焊方法进行壳法兰的焊接周期为3天；如采用手工
电弧焊则约为15天；而采用熔化极气体保护焊约为10天，可以看出通过采用本发明的工艺方案大大缩短了制造周期。
[0032] 本发明采用新型机动焊方法，背部不需要清根即可完全熔透；并且埋弧焊为非明弧操作，大大改善了操作者的劳动环境、降低了安全隐患。本发明是类似屏蔽电机机壳法兰在焊接 方法及工艺上的巨大突破，实现了机动化埋弧焊接，节约熔化金属重量1/2，缩短生产周期70%，大幅度提高焊接质量及降低焊接返修率。
[0033] 本发明在焊接专业领域内进一步提高了窄间隙埋弧焊焊接工艺水平，摸索完善了运用埋弧焊焊接
合金结构钢及奥氏体不锈钢的各种参数匹配，为以后埋弧焊技术的发展及创新积累了丰富的数据和可借鉴的经验。
附图说明：
[0034] 图I为埋弧焊电源外特型图
[0035] 图2为壳法兰及窄间隙坡口形式结构图
[0036] 图3为合理的距侧壁距离及焊道布置具体实施方式：
[0037] 一种壳法兰窄间隙埋弧焊焊接工艺：1)建立窄间隙埋弧工作站，采用质量稳定可靠的埋弧焊电源、行走机构以及配套设施是保证焊接稳定的前提。保证壳法兰在防窜动滚轮架上的平衡量为±0. 20mm ；
[0038] 如图I所示，采用具有缓降外特性的埋弧焊电源，以取得更加快捷的Λ I和自身调节灵敏度，以保证送丝的稳定性；
[0039] 2)设计合理的坡口角度及型式，将壁厚140mm的壳法兰设计成通过止口定位，单侧坡口角度4°的筒型合缝坡口；
[0040] 3)进行焊接工艺评定，选择合理的匹配性焊接材料，并对焊接接头进行拉伸、弯曲和冲击等机械力学性能试验，验证焊缝的可靠性和可适用性。通过焊丝和焊剂的匹配性试验，选择合理的埋弧焊组合焊材，对于壳法兰的碳钢段，由于母材采用美国机械工程师学会标准的材料(ASME SA516Gr. 70)，因此选择美国焊接协会的焊材（EH11K焊丝)和美国林肯公司生产的（Lincoln 880M)焊剂；而对于不锈钢段的焊缝，选择按照美国焊接协会标准生产的不锈钢焊丝（ER309)和专门用于不锈钢焊接苏德克公司的焊剂（Soudakay IND24)；
[0041] 4)寻求匹配的电流、电压以及焊接速度参数，由于热输入在此案例中为重要变素，因此按照以下公式：
[0042] 热输入=电流（I)X电压（U)X60/焊接速度
[0043] 在焊接工艺评定允许的热输入范围内寻求能够电弧燃烧稳定，焊道成型良好的参数匹配；
[0044] 具体的焊接参数为碳钢部分：电流380〜400A电压33〜34V
[0045]焊接速度 420mm/mi η
[0046] 不锈钢部分：电流280〜300Α 电压32〜33V
[0047]焊接速度 350mm/min
[0048] 5)如图3所示，对窄间隙坡口的焊道布置、压道量以及焊丝距离侧壁的距离均应严格要求，如焊道布置或压道量不合理，容易产生裂纹、气孔等缺陷；而如焊丝距离侧壁的尺寸控制不当，则易产生未熔合的缺陷；
[0049] 因此对于窄间隙坡口埋弧焊，第一层应在接头的中间焊接一道熔敷金属，以后每层两道，焊丝与坡口壁间距保持3. 2-4. 0mm。在接头的顶部，根据距离情况可每层熔敷两道以上。
[0050] 6)对起弧电流、焊丝伸出长度、环形焊缝搭接、焊剂堆高等技术环节细化。
[0051] 起弧电流设置为90A，保证正常的起弧和良好的焊道端部成形；
[0052] 焊丝伸出长度27〜29mm，确保电弧燃烧稳定，并不易沾丝；
[0053] 电极角度8〜10°，以便电弧的吹力使焊道成型美观，鱼鳞纹更加均匀；
[0054] 环形焊道搭接量为30mm，对起弧部分薄弱区域重新熔化，保证焊接质量；
[0055] 电流极性采用直流反接（DCEP)，获得较大的熔深和稳定的熔池。
[0056] 7)对温度的控制，由于埋弧焊属于热输入比较大的焊接方法，对于预热温度及层间温度要严格控制，
[0057] 对于碳钢部分,预热温度最小66° ,层间温度最大230°
[0058] 对于不锈钢部分,预热温度最小15° ,层间温度最大176°
[0059] 通过控制温度，避免由于热输入过大而产生的热裂纹。
