关键词：AP1000安全壳、E9018-G-H4焊材、国产化、性能试验
安全壳用SA-738Gr.B钢板所用配套焊条牌号为E9018-G-H4，焊条除符合美国西屋的技术规格书要求及ASME第Ⅱ卷C篇SFA5.5和SFA5.01中试验深度K级、焊条药皮批量类别C4级生产和技术要求外，还必须符合ASME第Ⅲ卷NE-2400和NE2600及NCA3800要求。本文主要论述了AP1000安全壳用配套焊材国产化研制过程及焊材性能试验。通过研制和大批量生产证明，国产化E9018-G-H4焊条各项性能均符合技术要求，而且性能稳定，质量可靠，生产专业化，文件标准化，施焊程序化，并已成功应用于三门和海阳核电安全壳SA-738Gr.B钢板的焊接，目前安全壳SA-738Gr.B钢板配套焊条已代替进口焊材，完全国产化。
一、焊材国产化研制
焊条设计分两步进行，一是焊芯的设计，二是焊材药皮配方设计。
1.1焊芯设计
焊芯设计首先要着眼于国内具备生产能力，其次要着眼于今后焊条规模化生产时质量的控制，即少数元素要留有适应大规模生产时其它原材料波动对焊条熔敷金属含量影响的余量。Cr、Ni、Mo等合金元素它们均可通过药皮过渡，并且过渡也很稳定。Cu在焊芯中要加以限制。Ni含量较高，既可主要通过焊芯过渡也可主要通过药皮过渡，通过焊芯过渡焊条成本更高，通过药皮过渡焊条成本低。S、P是杂质元素，在设计焊芯时必须考虑对它们的严格限制，因为一般焊条熔敷金属含量都要超过这个水平，且焊芯的过渡起主要作用，单纯通过药粉控制该二元素难于达到目的，因此，对其含量的严格限制成为本研究成败的关键。其余的C、Mn、Si可参考H08A焊芯成分对这几个元素的要求。
1.2配方设计
采用低氢型药皮脱S、P效果好的CaO-CaF2-SiO2渣系，Si-Mn-Ti脱氧。选用不同的焊芯，配方中铁合金加入量有所不同，配方也有所不同。在设计配方时要兼顾电弧的稳定性、焊接飞溅、焊缝成型、焊缝脱渣，以及熔敷金属机械性能等，使焊条具有优良的焊接工艺性能。焊条配方见表四。碳酸盐主要是造渣、造气。氟化物主要起去氢和造渣作用，由于碱性药皮的高合金钢焊条熔渣流动性稍差，因此，有一定稀渣作用的萤石适当多加。加入一定量的硅酸盐主要是为了造渣、细化熔滴减小焊接飞溅从而改善焊接工艺性能。含有一定量的金红石对焊接电弧的稳定性有利。铁合金的加入主要是脱氧和过渡合金元素，其它的物质主要是便于压涂。通过大量实验，得出药皮配方见表一
二、焊材性能试验
根据技术要求分别对国产化研制的焊条E9018-G-H4做了化学成分分析、机械性能（拉伸、冲击试验）、射线检测、药皮水份及扩散氢含量测定，试验结果均符合要求，达到设计目的。
2.1熔敷金属化学成分
表2为熔敷金属化学成分标准值和试验值对照表。通过大量实验证明国产化焊材熔敷金属的化学成分符合标准要求。
2.2熔敷金属力学性能
表3为熔敷金属力学性能试验结果，结果显示国产化焊材熔敷金属各项性能均符合标准要求。
2.3其它试验项目
致密性（X射线）试验良好药皮水分含量试验要求最大0.15%，实际典型值为0.10%角焊缝试验
扩散氢试验要求根据ASME第Ⅱ卷C篇SFA5.5中按AWS4.3标准水银法
进行熔敷金属扩散氢含量的测定，应满足H4(4ml/100g)或更低，实际典型值达到2.77ml/100g
2.4焊接工艺性能
焊接时预热温度最小100℃，最大层间温度控制在200℃。焊接工艺性能见表5。
表5焊接工艺性能
牌号焊接飞溅焊缝成型焊缝脱渣焊接烟雾
E9018-G-H4小好好小
三、应用实例
国产化研制的E9018-G-H4焊条已成功应用于AP1000安全壳SA-738Gr.B钢板的产品焊接，通过三门和海阳核电现场安全壳钢板组装焊接及山东海阳国核设备厂车间焊接综合反映，E9018-G-H4焊条焊接工艺性能良好，焊材质量稳定，并已全部替代进口焊条，为核电站的建设大大节约了生产成本，保证了制造周期。
四、结论
1）通过对焊芯成分及药皮原料的严格控制，使熔敷金属化学成分、力学性能符合要求；
2）焊条焊接工艺性能优良，综合性能达到并超过国外同类产品水平。
Abstract：Inrecentyears，aerospace，transportation，marineengineeringandotherindustrialdevelopmenthasgreatlypromotedthedevelopmentofweldingtechnology.Withthedevelopmentofweldingtechnologyandtheincreasinglevelofwelding，weldingqualityismoreandmoreconcernedbypeople，whichhighlightstheimportanceofweldingqualitycontrol.Tostrengthentheweldingqualitycontrolcaneffectivelyreduceproductioncostsandimprovetheweldingquality.Thispaperintroducestheconceptandsignificanceoftheweldingqualitycontrol，andanalyzesthevariousfactorsthataffectthequalityofthewelding，andsimplyexpoundshowtocontrolthem.Theimplementationofacomprehensiveandeffectiveweldingqualitycontrolcansignificantlyimprovethequality.
关键词：焊接；焊接质量；控制；影响
Keywords：welding；weldingquality；control；influence
中图分类号：TG441文献标识码：A文章编号：1006-4311（2013）20-0123-02
0引言
随着现代焊接技术的迅猛发展、焊接生产水平的不断提高和国际焊接制品贸易的日益扩大，为了保证焊接产品的质量，有效地利用资源，保护用户的利益，焊接产品的质量管理逐步走上了规范化、标准化的道路。焊接作为现代先进制造技术的关键工艺，受到各行各业的关注并逐步集成到产品的主寿命过程，即从设计开发、工艺制定、制造生产到运行服役、失效分析、维护和再循环等产品的各个阶段。焊接质量控制涉及到原材料、结构设计、焊接设备及工艺装备、焊接材料、切割下料及坡口加工、焊接工艺及相关标准、焊接过程监控和管理，焊后处理与涂装、检验、环境保护、焊接结构安全运行等众多过程，在焊接结构生产和运行中起着非常重要的作用，日益受到人们的关注。
1焊接质量控制的概念和意义
1.1焊接质量控制的概念和必要性随着锅炉、压力容器、化工机械、海洋构造物、航空钪天器和原子能工程等向髙参数及大型化-方向发展，焊接工作条件日益苛刻、复杂。任何一个焊接接头不合格都将引起危险和事故。锅炉的爆炸、压力容器和管道的泄漏、刚制桥梁的倒塌、船体断裂、大型吊车断裂等重大事故，很多是由于焊接接头质量问题造成的。迅速发展的现代焊接技术，已能在很大程度上保证其产品质量，但由于焊接接头为一性能不均匀体，应力分布又复杂，制造过程中亦作不到绝对的不产生焊接缺陷，更不能排除产品在役运行中出现新的缺陷。因此，焊接已经成为受控产品制造的关键工艺，必须对焊接结构与工程进行严格的全过程控制。
1.2焊接质量控制可以降低成本由于焊接过程的特殊性，得到一个合格的焊接接头往往要经过焊接坡口准备、焊件组对、点焊、焊前预热、正式施焊、无损检测、焊后热处理等工作过程。但对于一些焊缝中的缺陷，只有经过一些无损检测，才能发现问题，然后进行必要的修补，之后再做无损检测，以确定缺陷修复。这样将耗费大量的人力，物力和时间，那些因为多次返修而不得不割口的焊接缝隙造成的损失会更大。如果在整个焊接过程中行使有效的控制，焊接质量会有明显的提高，会大大降低因为焊接质量方面所造成的人力，物力和时间的损失，使焊接过程中的成本大大降低。
2焊接质量控制的要素
焊接质量控制，其涉及的范围比较宽，影响焊接质量的因素，概括起来有：人员、设备、材料、工艺方法和生产环境五个方面，简称“人、机、料、法、环”五因素。各个因素对不同工序质量的影响程度有很大差别，应具体情况具体分析。从对这五个因素进行管理控制以达到对焊接质量的全过程进行控制和管理。
2.1人——人员的控制焊工是焊接施工关键一环，优秀的焊接人员及相关技术人才是高质量焊接结构制造的重要保证。焊接工程师是焊接工艺文件的制定者、焊接生产的指导者和焊接工艺的管理者。企业聘用的焊工一定要有专业资格证书，应让有经验的优秀的焊接工程师来带新的焊工，进行手把手的技术传授，还应该定期对焊接及相关技术人员进行技术培训、更新，并对焊工进行理论和实践技能培训，不断提高第一线焊接操作者的技能水平。
2.2机——焊接设备的管理控制先进的焊接和相关设备是焊接结构质量和提高焊接生产效率的重要保证，各种焊接设备的性能及其稳定性与可靠性直接影响焊接质量。企业应该花费一定资金采购先进的焊接设备，其中大型和关键设备要招标采购，要求这类设备具有很好的性能及稳定性。企业要对焊接设备如焊机进行专人管理、保养、定期维修。焊机电流、电压显示装置要经过检定合格才能使用，要实行定期检验制度。
2.3料——焊接材料的管理控制焊接生产所使用的原材料包括母材、焊接材料焊条、焊丝、焊剂，保护气体等，这些材料的自身质量是保证焊接产品质量的基础和前提，所用焊接材料的证明文件应齐全有效，标识应清晰可辩，外观质量应合格，因此应该完善材料管理制度。使用和保管好焊接材料是保证焊接质量的基本条件，焊接材料的管理内容包括焊接材料的采购、入库验收、保管、烘干、发放、回收制度等等。
2.4法——焊接工艺方法的控制焊接质量对工艺方法的依赖性很强，在影响焊接工序质量的诸因素中占有非常突出的地位。因此对焊接工艺的控制是得到合格的焊接接头、保证焊接质量的关键。工艺方法对焊接质量的影响主要来自两个方面，一方面是工艺制订的合理性；建立健全严格的焊接工艺规程是保证焊接质量保证体系的重要内容。要做好新、旧标准和工艺文件的更换，以及旧标准或工艺文件和作废标准或工艺文件的回收工作，确保焊接技术人员和第一线操作者使用的标准和工艺文件是有效文件。另一方面是执行工艺的严格性，经过焊接工艺评定验证合格的焊接工艺数据在施焊时必须严格遵守不得随意改变。
2.5环——焊接生产环境的控制良好的生产环境是提高产品质量的重要保证，企业要保证有一个安全、干净、通风、温湿度合适、无污染等等条件的焊接环境。环境条件对焊接的影响主要表现在温度、湿度、风速等方面。焊接的环境温度应能保证焊件焊接所需的足够温度和焊工技能不受影响。当焊件表面潮湿、覆盖有冰雪，或在下雨、下雪及湿度较高时候需要将母材加热处理后再焊接，湿度过高（80%-90%）的环境不宜焊接。焊接时风速不可高于相关标准，当超过规定时，应该有防风设施。刮风期间，焊工及焊件无保护措施时，不应进行焊接。
3结论
焊接质量控制归纳起来可总结为“合格的焊工使用合格的材料和设备按照有效的工艺进行操作。”企业必须分析影响焊接质量的各种因素，采取切实有效的控制措施，才能保证焊接产品的质量。实施全面地、有效地控制可使焊接质量显著提高，企业质量管理工作有明显提升，产品和企业的竞争力都将得到有效增强。
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伴随经济社会的快速发展，我国出现巨大能源缺口。核能属于相对清洁、安全与低廉的新型能源，其重要地位日益突现。核反应堆有着极强的辐射性，核压力容器生产材料要选择优质材料，严格把控核压力容器生产质量与使用时段内的质量。能源需求的不断加大，推动进一步提高核电站数量和反应堆单堆的容量，生产大型化与复杂化的核压力容器，更我依靠焊接工艺来完成。本文探讨焊接工艺对厚壁核压力容器焊接残余应力的影响，以期为生产厚壁核压力容器焊接时消除残余应力与控制变形提供建议。
关键词：
焊接工艺；厚壁核压力容器；残余应力；影响
现代工业发展与科技进步，海洋工程、航空航天、核动力工程等领域越来越广泛运用焊接工艺。焊接工艺是集传热、电弧物理、冶金和力学等于一身的复杂过程，成为将金属材料连接成构件的极为重要手段。在生产核压力容器时，它更是起到无可替代的作用。为了提升能源安全级别，降低核辐射带给自然界与人类社会的危害，务必要确保核压力容器的质量。因此，探讨焊接工艺对厚壁核压力容器焊接残余应力的影响时，了解焊接当中构件所带的残余应力与大小分布特点，以确保焊接接头安全性，从而保证核压力容器的质量。
1现有情况
20世纪70年代日本大阪大学的上田幸雄教授等人根据有限元法，分析焊接残余应力的应变过程。自此之后，有限元模拟技术开始快速发展，有限元模型的建立简化了复杂的动态焊接应力分析过程。虽然我国在这方面的研究起步较晚，但是发展速度较快，且已获得一定成果。20世纪80年代初，以陈楚为首的研究人员对热弹塑性理论进行系统化的分析，推导出有限元计算公式，并编制出相对应的计算机程序。20世纪90年代，我国学者对这一领域进行更加深入的探索。目前，在确保焊接结构的稳定性的前提下，采用不同方法去除焊接残余应力的求值计算方法得到快速发展。只不过要完全达到实践需要，还有待进一步研究。
2现有问题
目前焊接残余应力的探索有了很大的进步，但是难以应对实际工程的要求。利用数值分析法控制复杂的焊接结构的残余应力的措施还有很多不足之处。第一，缺少足够的材料热物理性能重要数据，如:密度、导热系数与比热容等。第二，缺乏热源分布参数数据，有待进一步探讨多层焊缝、开坡口焊缝等的热源分布方式。第三，如何选取焊接热源的热效率资料较为分散，存在比较大的误差。第四，处置焊接熔池的方式存在问题，未把焊接熔池内部液态金属的对流传热特性纳入考虑范畴之内。第五，我国分析复杂核压力容器焊接残余应力的水平尚处在初级水平。待深入研究与探索焊接数值模拟技术的意义与作用，对焊接现象的本质有了更加精准的认识之后，方可把焊接残余应力精确计算出来，以提供可借鉴的理论。
3焊接温度场的分析理论
模拟焊接应力与应变的前提就是温度场，计算应力与应变的参考数据就是由流动准则、屈服准则、热弹塑性与强化准则所构成的基本理论。运用ANSYS软件模拟焊接过程时，上述理论和依据用来判定材料有无屈服、如何进行流动与强化，同时成为计算材料出现弹性与塑性变形时应力与应变关系的理论标准。屈服准则主要用来确定材料开始出现塑性变形的应力状况，计算单值的等效应力，并将结果与屈服强度进行对比，以得出材料的屈服时间。流动准则主要是从几何的角度出发，说明塑性应变增量向量与成与屈服面的法向，两者方向始终是一致的。强化准则主要用来阐释初始屈服准则是如何跟着塑性应变的增加而变化发展的。热弹塑性基本原理主要用来计算焊接全过程动态应力与应变的变化过程及最终的残余应力与变形的态势。
4焊接工序的影响力
4.1焊接流程参数作用于残余应力焊接残余应力出现的关键因素就是有不均匀的温度场存在。出现裂纹重大原因就是焊接残余应力。运用不同的焊接工艺参数，如：1350℃、1420℃、1490℃，焊接之后的出现的等效残余应力的变化走势是相同的。处在焊缝中心，其应力是最大的，距离焊缝中心越远，距离增加的同时，而应力会慢慢降低。其中，使用1350℃和1490℃焊接工艺参数，焊接之后应力的变化态势呈现大致相同的曲线，两者应力数值分别为360.28MPa和369.34MPa。而使用1420℃的焊接工艺参数，焊接之后应力的变化态势曲线，与前两个曲线相比，其态势略为走高，其应力值也是三者中最大的，为370.22MPa。据此可知，使用不同的焊接工艺参数，影响着焊后残余应力的大小。
4.2坡口形式作用于焊接残余应力焊接厚壁核压力容器时，有很多因素会影响焊接残余应力，坡口形式就是其中之一的影响因素。因此，在操作过程中，极为重要且必不可少挑选合宜的坡口形式与尺寸。就40mm宽I型坡口、35mm宽I型坡口及35mm宽双U型坡口等三种不同坡口形式而言，利用有限元算出结果来证明其作用于焊接残余应力的大小。在焊接结束后,出现于焊缝中心的等效应力值都不一样，40mm宽的I型坡口焊接后残余应力最大,其应力值460.12MPa，35mm宽的I型坡口焊接后残余应力位居第二,为420.68MPa，35mm宽的双U型坡口焊接后残余应力最小，为370.36MPa。三个坡口形式的相同之处在于，处在焊缝中心的应力最大，离焊缝中心越远，应力慢慢降低。所以，在有着相同宽度的焊缝的情况下，焊接应力相对较小的是双U型坡口；在有着相同的坡口形式的情况下，焊接后残余应力相对较低的是35mm宽。
4.3焊接后热处理工序作用于焊接残余应力去除焊接残余应力才能确保焊接结构的安全与牢靠，热处理成为去除焊接残余应力常用手段。在35mm宽的I型坡口完成6道焊接后，对其执行热处置，回火温度640℃，分别放在炉中保温1-7h，再行冷却，以去除残余应力。试验结果表明，没有执行热处理之前，焊缝处的等效应力值为最高，执行热处理之后，焊缝中心的等效应力相对降低。热处理之前焊缝中心的应力峰值为421.86MPa，执行热处理之后，等效应力相对较大的出现在1小时与7小时后,分别为351.32MPa和341.71MPa。等效应力相对较低的出现在2小时、3小时与4小时后，分别为270.14MPa、269.56MPa和267.97MPa。据此可知，执行热处理可以有效减少焊接残余应力，引起重新分布焊接残余应力，并且处在640℃的高温下，执行2小时热处理，可以让残余应力得到更好清除。
5结束语
社会经济发展，能源的需求变得越来越大，能源供给面临巨大挑战。核能有着广阔的开发前景，应当大力开发与使用。同时，不可忽略能源的安全与可靠性问题。日趋复杂化的核压力容器，给能源安全与可靠性带来新的考验。而焊接工艺成为决定其质量的重要手段，务必要进一步加以改进。本文探讨了焊接工艺对厚壁核压力容器焊接残余应力的影响，希望以此为核压力容器质量的改进方法的执行提供参考意见。
参考文献
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