CN110303227A - 一种核电大型贯穿件焊接及焊后处理方法及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及焊接技术领域，尤其涉及一种核电大型贯穿件焊接及焊后处理方法及其应用。本发明采用分层焊后振动与阶梯降流冲击相结合的复合处理工艺代替原有的焊接与热处理工艺，大大降低了焊后残余应力，解决了大型厚的管板在焊接过程与热处理过程中残余应力释放出现裂纹的问题，并降低生产成本、减少焊缝返修，缩短了工期。
Description
技术领域
本发明涉及焊接技术领域，具体的，涉及一种核电大型贯穿件焊接及焊后处理方法及其应用。
背景技术
本发明背景技术中公开的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
钢制安全壳的制造以焊接构件为主，焊接是最重要的工艺工序。钢制安全壳中大型贯穿件的焊后处理工艺是采用局部加热或整体热处理，故不可避免产生焊接残余应力和变形。焊接残余应力对焊接构件的影响很大，静载时会导致应力集中，引起变形开裂；降低受压构件的稳定性；降低结构刚度和疲劳强度；降低焊件加工精度和尺寸稳定性；会引起应力腐蚀开裂。尤其是在焊接大型构件过程中，由于大的板厚导致焊接量比较大，残余应力也相对较大，引起开裂的可能性更大。
消除焊接残余应力的传统有效方法有整体热处理、局部热处理、锤击法、机械拉伸法、温差拉伸法、振动时效法、超声冲击法。上述方法都具有一定的限制和时效性，如：热处理方法虽然可以有效降低残余应力，应用广泛，但是耗能大、耗时长，同时在热处理过程中残余应力释放也很容易出现裂纹，导致焊缝的返修；尺寸结构受到限制；造成金属氧化、焊缝区晶粒粗大等问题。传统的机械法虽然能够节约能源、成本低，但是每一种方法的应用范围都具有一定的局限性。
发明内容
针对上述存在的问题，本发明旨在提供一种核电大型贯穿件焊接及焊后处理方法及其应用。本发明采用分层焊后振动与阶梯降流冲击相结合的复合处理工艺代替原有的焊接与热处理工艺，大大降低了焊后残余应力，解决了大型厚的管板在焊接过程与热处理过程中残余应力释放出现裂纹的问题，并降低生产成本、减少焊缝返修，缩短了工期。
本发明第一目的：提供一种核电大型贯穿件焊接及焊后处理方法。
本发明第二目的：提供所述核电大型贯穿件焊接及焊后处理方法的应用。
为实现上述发明目的，本发明公开了下述技术方案：
首先，本发明公开一种核电大型贯穿件焊接及焊后处理方法，包括如下步骤：
(1)将贯穿件的上、下焊接面分别标记为焊接面A、焊接面B，通过焊接面A、焊接面B将贯穿件焊接在壳体上，且焊接前对焊接部位进行预热，焊接完成后得到预焊体；
(2)先对焊接面A进行分层焊接，焊接设定层数后对焊缝进行清理打磨，然后对焊接件进行振动时效处理；
(3)继续对焊接面A进行填充，待填充到焊缝深度的设定值后停止填充，然后对焊接件进行振动时效处理；完成后准备进行焊接面B的焊接；
(4)先对焊接面B进行清根后进行分层焊接；焊接设定层数后对焊缝进行清理打磨，然后对焊接件进行振动时效处理；
(5)继续对焊接面B进行填充，待填充到焊缝深度的设定值后停止填充，然后对焊接件进行振动时效处理；
(6)继续对焊接面B进行填充，待焊接到焊缝深度的设定值后停止焊接，然后对焊接件进行振动时效处理；完成后准备进行焊接面A的焊接；
(7)继续对焊接面A进行填充，待填充到焊缝深度的设定值后停止填充，然后对焊接件进行振动时效处理；
(8)继续对焊接面A继续进行填充直至焊缝填充完成；
(9)继续对焊接面B进行填充直至焊缝填充完成，然后对焊接件进行振动时效处理；
(10)采用超声冲击对焊缝以及热影响区进行设定次数的处理，以便于降低焊后残余应力，所用超声冲击的参数为“阶梯降流法”，即每一次处理的电流和冲击时间相对于上一次处理呈梯度降低。
作为进一步的技术方案，步骤(1)中，所述贯穿件为低合金钢，所述预热温度为100-200℃，预热有助于减小焊接应力，减少变形。
作为进一步的技术方案，步骤(2)中，所述层数为4-5层，共7-8道，焊接电流为125-185A，电压为17-28V，焊接速度为5-12cm/min。
作为进一步的技术方案，步骤(2)-(7)中，所述振动时效处理均为连续进行两次。
作为进一步的技术方案，步骤(3)中，所述填充的工艺参数为：焊接电流为200-260A，电压为21-30V,焊接速度为20-25cm/min；待填充到焊接面A的焊缝深度的1/2后停止填充。
作为进一步的技术方案，步骤(4)中，所述清根为：采用气刨清根，清理深度为3-5mm，并将底部坡口清理为“U”型后进行焊接。
作为进一步的技术方案，步骤(4)中，所述层数为：焊接6-7层，共11-12道，焊接电流为125-185A，电压为17-28V，焊接速度为5-12cm/min。
作为进一步的技术方案，步骤(2)和(4)中，所述分层焊接采用的焊条直径为4.0mm。
作为进一步的技术方案，步骤(5)中，所述填充的工艺参数为：焊接电流为200-260A，电压为21-30V,焊接速度为20-25cm/min；待填充到焊接面A的焊缝深度的1/2后停止填充。
作为进一步的技术方案，步骤(3)和(5)中，所述填充采用的焊丝直径为1.2mm。
作为进一步的技术方案，步骤(6)中，所述填充的工艺参数为：焊接电流为240-280A,电压为24-33V,焊接速度为20-25cm/min；待填充到焊接面A的焊缝深度的2/3后停止填充。
作为进一步的技术方案，步骤(7)中，所述填充的工艺参数为：焊接电流为240-280A,电压为24-33V,焊接速度为20-25cm/min；待填充到焊接面A的焊缝深度的2/3后停止填充。
作为进一步的技术方案，步骤(8)中，所述填充的工艺参数为：焊接电流为240-280A,电压为24-33V,焊接速度为20-25cm/min；直至焊缝填充完成。
作为进一步的技术方案，步骤(9)中，所述填充的工艺参数为：电流为240-280A,电压为24-33V，焊接速度为20-25cm/min；直至焊缝填充完成。
作为进一步的技术方案，步骤(9)中，所述阶梯降流法为：第一次的电流和冲击时间分别为2.5-2.8A和20-25min；第二次的电流和冲击时间分别为2.1-2.5A和15-20min；第二次的电流和冲击时间分别为1.6-2.1A和10-20min。
最后，本发明公开所述核电大型贯穿件焊接及焊后处理方法在核电领域中的应用。
与现有技术相比，本发明取得了以下有益效果：
(1)采用分层焊后振动，在焊接过程中将残余应力分步降低，使得在焊接过程中每个状态的残余应力都相对较低，不会在焊接过程中就产生裂纹；相对于现有的焊后振动时效方法更有效，原有的焊后振动在完成焊接后整体振动，其残余应力由于拘束等原因降低的比例会小的多。
(2)采用“阶梯降流法”可以更有效的降低焊接残余应力，而且在第一次较大的电流情况下有助于迅速降低焊接残余应力，在后面较小的电流下修复表面由于大电流冲击下产生的表面凹坑。
(3)采用分层焊后振动与阶梯降流法复合处理工艺可以完全达到降低焊后残余应力的效果，相对于热处理，本发明的方法显著提高了生产效率与降低了生产成本。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1为本发明实施例1中预焊体的结构示意图。
图2为本发明实施例1中对焊件进行振动时效处理的示意图。
图3为本发明实施例1中第一次振动时效处理中激振器与加速度传感器的布置示意图。
图4为本发明实施例1中第二次振动时效处理中激振器与加速度传感器的布置示意图。
上述附图中标记分别代表：1-预焊体；2-底座；3-橡胶垫；4-加速度传感器5-激振器；6-控制器。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如，在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
正如前文所述，消除焊接残余应力的传统的整体热处理、局部热处理、锤击法、机械拉伸法、温差拉伸法、振动时效法、超声冲击法等方法都具有一定的限制和时效性，其应用范围都具有一定的局限性。因此，本发明提出了一种核电大型贯穿件焊接及焊后处理方法；现结合附图和具体实施方式对本发明进一步进行说明。
需要说明的是，振动时效处理采用的振动设备为全自动振动时效装置，振动参数由设备在振动过程中实时自动控制和调整，当设备给工件进行振动后，它通过反馈“认定”工件的残余应力消除完毕，振动过程自动结束。
实施例1
一种核电大型贯穿件焊接及焊后处理方法，包括如下步骤：
(1)将贯穿件的上、下焊接面分别标记为焊接面A、焊接面B，所述贯穿件的板厚为不小于90mm，通过采用手工焊打底，气保焊填充与盖面将贯穿件焊接在壳体上，且焊接前对焊接部位预热至200℃，焊接完成后得到预焊体1(参见图1)。
(2)焊接面A进行分层焊接：采用直径为4.0焊条进行，焊接5层，共7道，焊接参数为电流为125A，电压为25V，焊接速度为12cm/min。焊接完成后对焊缝进行清理打磨后，对焊接件进行振动时效处理，参见见图2，将预焊体1放置在底座2上，所述底座下面设置有橡胶垫，按照图3所述的位置放置加速度传感器4和激振器5，通过控制器6设置振动参数，进行第一次振动时效处理，完成后按照图4所述的位置放置加速度传感器4和激振器5，再进行第二次振动时效处理，振动结束后取下激振器与加速度传感器进行后续的焊接。
(3)对焊接面A所在的焊缝处继续采用自动气保焊进行填充：所采用的焊丝直径为1.2mm，焊接电流为260A，电压为21V,焊接速度为22cm/min，焊接到A面焊缝深度的1/2处后停止焊接，然后对焊接件进行振动时效处理(同本实施例步骤(2))，振动结束后取下激振器与加速度传感器，进行预焊体的翻身，准备进行焊接面B的焊接。
(4)对焊接面B首先进行气刨清根，清理深度为5mm，并将底部坡口清理为“U”型后进行分层焊接：采用直径为4.0焊条进行，焊接7层，共12道，焊接参数为电流为125A，电压为25V，焊接速度为12cm/min。焊接完成后对焊缝进行清理打磨后，对焊接件进行振动时效处理(同本实施例步骤(2))，振动结束后取下激振器与加速度传感器准备对焊接面B进行填充。
(5)对焊接面B所在的焊缝处继续采用自动气保焊进行填充：所采用的焊丝直径为1.2mm，焊接电流为260A，电压为21V,焊接速度为22cm/min，然后对焊接件进行振动时效处理(同本实施例步骤(2))，振动结束后取下激振器与加速度传感器；
(6)继续对焊接面B所在的焊缝处继续采用自动气保焊进行填充：所采用的焊丝直径为1.2mm，焊接电流为250A，电压为30V,焊接速度为20cm/min，焊接到焊接面B焊缝深度的2/3处后停止焊接，对焊接件进行振动时效处理(同本实施例步骤(2))，振动结束后取下激振器与加速度传感器，准备进行焊接面A的焊接。
(7)继续对焊接面A所在的焊缝处继续采用自动气保焊进行填充：所采用的焊丝直径为1.2mm，焊接电流为250A，电压为30V,焊接速度为20cm/min，焊接到焊接面A的焊缝深度的2/3处后停止焊接，对焊接件进行振动时效处理(同本实施例步骤(2))，振动结束后取下激振器与加速度传感器，继续采用本步骤的填充方法对焊接面A所在的焊缝进行填充，直到将焊缝填充完成，翻身后，继续采用本步骤的填充方法对焊接面B所在的焊缝进行填充，直到将焊缝填充完成，然后对焊接件进行振动时效处理(同本实施例步骤(2))，振动结束后取下激振器与加速度传感器。
(8)采用超声冲击对焊缝以及热影响区进行处理，超声冲击采用“阶梯降流法”，所述阶梯降流法采用的工艺参数如表1所示。
实施例2
一种核电大型贯穿件焊接及焊后处理方法，包括如下步骤：
(1)将贯穿件的上、下焊接面分别标记为焊接面A、焊接面B，所述贯穿件的板厚为不小于90mm，通过采用手工焊打底，气保焊填充与盖面将贯穿件焊接在壳体上，且焊接前对焊接部位预热至150℃，焊接完成后得到预焊体1(参见图1)。
(2)焊接面A进行分层焊接：采用直径为4.0焊条进行，焊接4层，共8道，焊接参数为电流为150A，电压为28V，焊接速度为8cm/min。焊接完成后对焊缝进行清理打磨后，对焊接件进行振动时效处理(同实施例1)，振动结束后取下激振器与加速度传感器进行后续的焊接。
(3)对焊接面A所在的焊缝处继续采用自动气保焊进行填充：所采用的焊丝直径为1.2mm，焊接电流为200A，电压为30V,焊接速度为20cm/min，焊接到A面焊缝深度的1/2处后停止焊接，然后对焊接件进行振动时效处理(同实施例1)，振动结束后取下激振器与加速度传感器，进行预焊体的翻身，准备进行焊接面B的焊接。
(4)对焊接面B首先进行气刨清根，清理深度为3mm，并将底部坡口清理为“U”型后进行分层焊接：采用直径为4.0焊条进行，焊接6层，共12道，焊接参数为电流为150A，电压为28V，焊接速度为8cm/min。焊接完成后对焊缝进行清理打磨后，对焊接件进行振动时效处理(同实施例1)，振动结束后取下激振器与加速度传感器准备对焊接面B进行填充。
(5)对焊接面B所在的焊缝处继续采用自动气保焊进行填充：所采用的焊丝直径为1.2mm，焊接电流为200A，电压为30V,焊接速度为20cm/min，然后对焊接件进行振动时效处理(同实施例1)，振动结束后取下激振器与加速度传感器；
(6)继续对焊接面B所在的焊缝处继续采用自动气保焊进行填充：所采用的焊丝直径为1.2mm，焊接电流为280A，电压为24V,焊接速度为22cm/min，焊接到焊接面B焊缝深度的2/3处后停止焊接，对焊接件进行振动时效处理(同实施例1)，振动结束后取下激振器与加速度传感器，准备进行焊接面A的焊接。
(7)继续对焊接面A所在的焊缝处继续采用自动气保焊进行填充：所采用的焊丝直径为1.2mm，焊接电流为280A，电压为24V,焊接速度为22cm/min，焊接到焊接面A的焊缝深度的2/3处后停止焊接，对焊接件进行振动时效处理(同实施例1)，振动结束后取下激振器与加速度传感器，继续采用本步骤的填充方法对焊接面A所在的焊缝进行填充，直到将焊缝填充完成，翻身后，继续采用本步骤的填充方法对焊接面B所在的焊缝进行填充，直到将焊缝填充完成，然后对焊接件进行振动时效处理(同实施例1)，振动结束后取下激振器与加速度传感器。
(8)采用超声冲击对焊缝以及热影响区进行处理，超声冲击采用“阶梯降流法”，所述阶梯降流法采用的工艺参数如表1所示。
实施例3
一种核电大型贯穿件焊接及焊后处理方法，包括如下步骤：
(1)将贯穿件的上、下焊接面分别标记为焊接面A、焊接面B，所述贯穿件的板厚为不小于90mm，通过采用手工焊打底，气保焊填充与盖面将贯穿件焊接在壳体上，且焊接前对焊接部位预热至100℃，焊接完成后得到预焊体1(参见图1)。
(2)焊接面A进行分层焊接：采用直径为4.0焊条进行，焊接5层，共8道，焊接参数为电流为185A，电压为17V，焊接速度为5cm/min。焊接完成后对焊缝进行清理打磨后，对焊接件进行振动时效处理(同实施例1)，振动结束后取下激振器与加速度传感器进行后续的焊接。
(3)对焊接面A所在的焊缝处继续采用自动气保焊进行填充：所采用的焊丝直径为1.2mm，焊接电流为240A，电压为28V,焊接速度为25cm/min，焊接到A面焊缝深度的1/2处后停止焊接，然后对焊接件进行振动时效处理(同实施例1)，振动结束后取下激振器与加速度传感器，进行预焊体的翻身，准备进行焊接面B的焊接。
(4)对焊接面B首先进行气刨清根，清理深度为4mm，并将底部坡口清理为“U”型后进行分层焊接：采用直径为4.0焊条进行，焊接6层，共11道，焊接电流为240A，电压为28V,焊接速度为25cm/min。焊接完成后对焊缝进行清理打磨后，对焊接件进行振动时效处理(同实施例1)，振动结束后取下激振器与加速度传感器准备对焊接面B进行填充。
(5)对焊接面B所在的焊缝处继续采用自动气保焊进行填充：所采用的焊丝直径为1.2mm，焊接电流为200A，电压为30V,焊接速度为20cm/min，然后对焊接件进行振动时效处理(同实施例1)，振动结束后取下激振器与加速度传感器；
(6)继续对焊接面B所在的焊缝处继续采用自动气保焊进行填充：所采用的焊丝直径为1.2mm，焊接电流为240A，电压为33V,焊接速度为25cm/min，焊接到焊接面B焊缝深度的2/3处后停止焊接，对焊接件进行振动时效处理(同实施例1)，振动结束后取下激振器与加速度传感器，准备进行焊接面A的焊接。
(7)继续对焊接面A所在的焊缝处继续采用自动气保焊进行填充：所采用的焊丝直径为1.2mm，焊接电流为240A，电压为33V,焊接速度为25cm/min，焊接到焊接面A的焊缝深度的2/3处后停止焊接，对焊接件进行振动时效处理(同实施例1)，振动结束后取下激振器与加速度传感器，继续采用本步骤的填充方法对焊接面A所在的焊缝进行填充，直到将焊缝填充完成，翻身后，继续采用本步骤的填充方法对焊接面B所在的焊缝进行填充，直到将焊缝填充完成，然后对焊接件进行振动时效处理(同实施例1)，振动结束后取下激振器与加速度传感器。
(8)采用超声冲击对焊缝以及热影响区进行处理，超声冲击采用“阶梯降流法”，所述阶梯降流法采用的工艺参数如表1所示。
经过测试，采用以实施例1-3为例的本发明方法，得到的焊接焊后残余应力完全能够达到相关的要求，相对于传统的热处理工艺，本发明的方法显著提高了生产效率与降低了生产成本，减少了焊缝返修，缩短了工期；解决了大型厚的管板在焊接过程与热处理过程中残余应力释放出现裂纹的问题。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种核电大型贯穿件焊接及焊后处理方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将贯穿件的上、下焊接面分别标记为焊接面A、焊接面B，通过焊接面A、焊接面B将贯穿件焊接在壳体上，且焊接前对焊接部位进行预热，焊接完成后得到预焊体；
(2)先对焊接面A进行分层焊接，焊接设定层数后对焊缝进行清理打磨，然后对焊接件进行振动时效处理；
(3)继续对焊接面A进行填充，待填充到焊缝深度的设定值后停止填充，然后对焊接件进行振动时效处理；完成后准备进行焊接面B的焊接；
(4)先对焊接面B进行清根后进行分层焊接；焊接设定层数后对焊缝进行清理打磨，然后对焊接件进行振动时效处理；
(5)继续对焊接面B进行填充，待填充到焊缝深度的设定值后停止填充，然后对焊接件进行振动时效处理；
(6)继续对焊接面B进行填充，待焊接到焊缝深度的设定值后停止焊接，然后对焊接件进行振动时效处理；完成后准备进行焊接面A的焊接；
(7)继续对焊接面A进行填充，待填充到焊缝深度的设定值后停止填充，然后对焊接件进行振动时效处理；
(8)继续对焊接面A继续进行填充直至焊缝填充完成；
(9)继续对焊接面B进行填充直至焊缝填充完成，然后对焊接件进行振动时效处理；
(10)采用超声冲击对焊缝以及热影响区进行设定次数的处理，以便于降低焊后残余应力，所用超声冲击的参数为“阶梯降流法”，即每一次处理的电流和冲击时间相对于上一次处理呈梯度降低。
2.如权利要求1所述的核电大型贯穿件焊接及焊后处理方法，其特征在于，步骤(2)中，所述层数为4-5层，共7-8道，焊接电流为125-185A，电压为17-28V，焊接速度为5-12cm/min。
3.如权利要求1所述的核电大型贯穿件焊接及焊后处理方法，其特征在于，步骤(3)中，所述填充的工艺参数为：焊接电流为200-260A，电压为21-30V,焊接速度为20-25cm/min；待填充到焊接面A的焊缝深度的1/2后停止填充；
优选地，步骤(4)中，所述清根为：采用气刨清根，清理深度为3-5mm，并将底部坡口清理为“U”型后进行焊接。
4.如权利要求1所述的核电大型贯穿件焊接及焊后处理方法，其特征在于，步骤(4)中，所述层数为：焊接6-7层，共11-12道，焊接电流为125-185A，电压为17-28V，焊接速度为5-12cm/min；
优选地，步骤(5)中，所述填充的工艺参数为：焊接电流为200-260A，电压为21-30V,焊接速度为20-25cm/min；待填充到焊接面A的焊缝深度的1/2后停止填充。
5.如权利要求1所述的核电大型贯穿件焊接及焊后处理方法，其特征在于，步骤(6)中，所述填充的工艺参数为：焊接电流为240-280A,电压为24-33V,焊接速度为20-25cm/min；待填充到焊接面A的焊缝深度的2/3后停止填充。
6.如权利要求1所述的核电大型贯穿件焊接及焊后处理方法，其特征在于，步骤(7)中，所述填充的工艺参数为：焊接电流为240-280A,电压为24-33V,焊接速度为20-25cm/min；待填充到焊接面A的焊缝深度的2/3后停止填充。
7.如权利要求1所述的核电大型贯穿件焊接及焊后处理方法，其特征在于，步骤(8)中，所述填充的工艺参数为：焊接电流为240-280A,电压为24-33V,焊接速度为20-25cm/min；直至焊缝填充完成；
步骤(9)中，所述填充的工艺参数为：电流为240-280A,电压为24-33V，焊接速度为20-25cm/min；直至焊缝填充完成。
8.如权利要求1-7任一项所述的核电大型贯穿件焊接及焊后处理方法，其特征在于，步骤(9)中，所述阶梯降流法为：第一次的电流和冲击时间分别为2.5-2.8A和20-25min；第二次的电流和冲击时间分别为2.1-2.5A和15-20min；第二次的电流和冲击时间分别为1.6-2.1A和10-20min。
9.如权利要求8所述的核电大型贯穿件焊接及焊后处理方法，其特征在于，步骤(1)中，所述预热温度为100-200℃，优选地，所述贯穿件为低合金钢；
优选地，步骤(2)-(7)中，所述振动时效处理均为连续进行两次；
优选地，步骤(2)和(4)中，所述分层焊接采用的焊条直径为4.0mm；
优选地，步骤(3)和(5)中，所述填充采用的焊丝直径为1.2mm。
10.如权利要求1-9任一项所述的核电大型贯穿件焊接及焊后处理方法在核电领域中的应用。
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