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【摘 要】本文通过对AP1000核电机组稳压器上部横向支撑第一批拉耳安装焊接过程中出现根部裂纹的问题进行原因分析，并制定相应对策，最终第二批拉耳焊缝全部一次性合格，总结得出AP1000核电机组稳压器上部横向支撑拉耳最佳焊接工艺。
【关键词】AP1000核电机组;稳压器上部横向支撑拉耳;裂纹;焊接工艺
引言
AP1000核电机组稳压器上部横向支撑拉耳母材厚度为70mm，T型对接全熔透焊缝，属典型大厚板T型对接焊缝，焊接过程中容易产生母材层状撕裂及根部裂纹等缺陷。本文通过对比第一批和第二批拉耳焊接效果，总结得出AP1000核电机组稳压器上部横向支撑拉耳焊接注意事项。
1工程概况
AP1000稳压器为核岛反应堆冷却剂系统的主设备之一，为核1级设备，环梁上布置的8根上部横向支撑通过拉耳与墙体上4个托架进行连接，保证稳压器上部的稳定（如图1所示）。受操作空间的影响，每个拉耳只能从外侧单面施焊，每个托架处只能安排1名焊工进行焊接，现场安排4名焊工同时施焊，8条焊缝分2批焊接完成。
拉耳与墙体托架采用T型接头全熔透焊缝进行连接，依据主设备支撑安装技术条件，焊缝焊完且合格后需对焊缝背面母材进行UT检测，受现场施工顺序的影响，焊后母材UT无法执行，经过与上游单位沟通，设计确认，改为先在托架上与拉耳连接位置处堆焊15mm厚度的覆盖层，覆盖层经打磨抛光UT检测合格后，再将拉耳焊在覆盖层上，堆焊采用全手工电弧焊焊接，焊材采用E8018低氢型焊条。拉耳材质为SA299，GrA，厚度70mm。托架材质为Q420C。
2 现场施工过程及方法
2.1拉耳坡口加工
对控制焊接变形的效果来说，双面焊优于单面焊，受施工环境的影响，现场无法进行双面坡口焊接，只能采取单面焊，考虑安装要求和焊接收缩变形的影响，坡口加工形式如图2所示。
2.2 组对点固
拉耳整个焊接过程采用全手工电弧焊，受现场环境的影响，背部清根打磨不好进行，为了保证打底焊缝质量，背面加陶瓷衬垫（如图3所示）。拉耳焊缝处于立焊位置，焊缝上面收缩变形比下面大，组对间隙上面要比下面稍微大点，以及为了焊工操作方便，组对间隙为上部10mm下部8mm。
大厚板焊缝填充量大，焊接时间长，热输入总量高，构件焊接时焊缝拘束度高、焊接残余应力大。而单边坡口焊缝收缩力都在同一侧，若热处理不到位，存在焊接残余应力将根部拉裂的情况。为减少焊接内应力，焊前需做适当的反变形预留（如图3所示）。
2.3 第一批拉耳焊接
安排4名焊工分布在稳压器上部4个墙角，同时焊接4个拉耳。焊前采用电加热预热，预热温度≧150℃，焊接中间停止后进行后热，后热温度200～250℃，并且保温时间不低于1小时，缓冷至室温。焊接过程中当反变形预留量余量为5mm时，停止施焊，进行约束工装的安装（如图4所示），工装焊接固定后方可进行后续焊接，保证拉耳的安装精度。最终焊缝进行焊后热处理，加热至595～675℃，保温时间不低于135分钟。
第一批4个拉耳焊接完成后，发现4个拉耳从焊缝背面都可肉眼看见根部裂纹，经全部进行背部PT检测，显示裂纹贯穿整条焊缝，有些覆盖层母材也被拉裂。从焊缝背面反挖进去，裂纹深度最大达15mm（如图5所示）。
2.4第一批拉耳焊后裂纹缺陷产生原因分析
拉耳焊缝根部裂纹是焊件在冷却到200～300℃以下产生的，属于冷裂纹，而且裂纹多产生在熔合线母材侧，有延伸的倾向，方向为纵向。
氢、淬硬组织和应力是导致冷裂纹的3个原因，它们相互影响，相互促进，导致裂纹的主要原因进行排除分析。
1）淬硬倾向：耳板材质为SA299压力容器碳锰硅钢板，低合金高强度钢，淬硬倾向小，焊接性良好，不是本次产生冷裂纹的主要原因。
2）氢的作用：所用焊材虽不是低氢型焊材，但经过严格烘干，不排除焊接时有少量的氢留在焊缝内，但含量较低，不是产生冷裂纹的主要原因。
3）焊接的应力：对于δ=70mm厚度的拉耳，焊接时在厚度方向上的温度分布是不均匀的，焊接的一面受热膨胀大，另一面膨胀小甚至不膨胀，由于焊接面膨胀受阻，产生了较大的横向压缩塑性变形;在焊后冷却时就在钢板厚度方向上出现收缩不均匀的现象，致使两连接件间产生角变形，从而使背面根部承受很大的拉应力。当焊后角变形所产生的拉应力超过根部焊缝熔敷金属抗拉强度的临界值时，在最薄弱的根部焊缝处就会产生裂纹。因此焊接角变形所产生的拉应力是造成焊缝根部裂纹的主要原因。
2.5第二批拉耳焊接
通过对第一批拉耳焊接失败进行总结，了解底部裂纹形成原因，第二批拉耳焊接从以下几个方面进行质量把控：
1）预留反变形量：反变形预留从原先的60mm减少为30mm，这样可以减少角变形产生的拉应力对根部焊缝的作用。
2）定位焊：定位焊是厚板施工过程中最容易出现问题的部位，因为定位焊处的温度很容易被周围“冷却介质”快速冷却，造成局部过大的应力集中，引起裂纹的产生，延伸到焊缝中去。因此对第二批拉耳进行组对点固时，提高预热温度，加大预热范围，焊后保温一段时间，同时加大定位焊长度和熔敷金属的厚度。
3）打底焊：因根部焊缝易出现夹渣、气孔连线、未熔合和咬边等缺陷，缺陷处抗拉强度小，后续焊接收缩应力容易导致缺陷处产生裂纹。焊接时宜连续施焊，焊接完成后，检查背部质量。
4）填充焊：耳板焊接为厚板焊接，严格控制焊道宽度与厚度，焊道过宽与过厚容易引起裂纹与夹渣等缺陷产生，要求焊接过程中尽量不要停，因为前一道焊缝对后一道焊缝相当是一个预热的过程，后一道焊缝对前一道焊缝有后热作用，这样即可以减少预热次数，加快施工进度;也可以有效改善焊接过程中应力分布状态，保证焊接质量。下班或焊工因某种原因需长时间停止焊接，需对焊缝进行后热保温，温度不低于200℃，保温时间不少于90分钟。
5）盖面焊：盖面焊要求打磨抛光后不能低于母材表面，圆滑过渡处焊角高不宜过大，容易引起应力集中;盖面焊完后，也需对焊缝进行后热保温，温度不低于200℃，保温时间不少于90分钟。
6）热处理：热处理可以有效的去除焊缝中的残余应力，防止裂纹的产生。焊缝正、背两面都要有热电偶布置，热处理温度、保温时间、加热冷却速度严格按照标准规定的热处理工艺来做。
通过反变形预留量的合理预留（30mm，拉耳圆弧端部与垂直位置的距离），以及对预热、后热、热处理工艺过程的严格把关，第二批拉耳焊缝全部一次性合格。
3 结论
AP1000核电机组稳压器上部横向支撑拉耳安装焊缝为典型大厚板“T”型对接单边坡口焊缝，焊缝收缩力大且变形不好控制，需通过反变形预留减少焊接收缩内应力，反变形预留需考虑角变形的影响，不能过大（角变形≤5°，30mm）。焊前预热、焊后后热、最终焊缝热处理等热处理的加热片需均匀布置，确保加熱均匀，避免产生母材层状撕裂或根部冷裂纹等常见缺陷。
参考文献：
[1] 中国机械 工程学会焊接学会 焊接手册 北京：机械工业出版社
[2] 周振丰，焊接冶金学（金属焊接性）【M】.北京：机械工业出版社，2000.
[3] 陈祝年，焊接工程师手册【M】.北京：机械工业出版社，2002.
（作者单位：中国核工业第五建设有限公司）
【关键词】AP1000核电机组;稳压器上部横向支撑拉耳;裂纹;焊接工艺
引言
AP1000核电机组稳压器上部横向支撑拉耳母材厚度为70mm，T型对接全熔透焊缝，属典型大厚板T型对接焊缝，焊接过程中容易产生母材层状撕裂及根部裂纹等缺陷。本文通过对比第一批和第二批拉耳焊接效果，总结得出AP1000核电机组稳压器上部横向支撑拉耳焊接注意事项。
1工程概况
AP1000稳压器为核岛反应堆冷却剂系统的主设备之一，为核1级设备，环梁上布置的8根上部横向支撑通过拉耳与墙体上4个托架进行连接，保证稳压器上部的稳定（如图1所示）。受操作空间的影响，每个拉耳只能从外侧单面施焊，每个托架处只能安排1名焊工进行焊接，现场安排4名焊工同时施焊，8条焊缝分2批焊接完成。
拉耳与墙体托架采用T型接头全熔透焊缝进行连接，依据主设备支撑安装技术条件，焊缝焊完且合格后需对焊缝背面母材进行UT检测，受现场施工顺序的影响，焊后母材UT无法执行，经过与上游单位沟通，设计确认，改为先在托架上与拉耳连接位置处堆焊15mm厚度的覆盖层，覆盖层经打磨抛光UT检测合格后，再将拉耳焊在覆盖层上，堆焊采用全手工电弧焊焊接，焊材采用E8018低氢型焊条。拉耳材质为SA299，GrA，厚度70mm。托架材质为Q420C。
2 现场施工过程及方法
2.1拉耳坡口加工
对控制焊接变形的效果来说，双面焊优于单面焊，受施工环境的影响，现场无法进行双面坡口焊接，只能采取单面焊，考虑安装要求和焊接收缩变形的影响，坡口加工形式如图2所示。
2.2 组对点固
拉耳整个焊接过程采用全手工电弧焊，受现场环境的影响，背部清根打磨不好进行，为了保证打底焊缝质量，背面加陶瓷衬垫（如图3所示）。拉耳焊缝处于立焊位置，焊缝上面收缩变形比下面大，组对间隙上面要比下面稍微大点，以及为了焊工操作方便，组对间隙为上部10mm下部8mm。
大厚板焊缝填充量大，焊接时间长，热输入总量高，构件焊接时焊缝拘束度高、焊接残余应力大。而单边坡口焊缝收缩力都在同一侧，若热处理不到位，存在焊接残余应力将根部拉裂的情况。为减少焊接内应力，焊前需做适当的反变形预留（如图3所示）。
2.3 第一批拉耳焊接
安排4名焊工分布在稳压器上部4个墙角，同时焊接4个拉耳。焊前采用电加热预热，预热温度≧150℃，焊接中间停止后进行后热，后热温度200～250℃，并且保温时间不低于1小时，缓冷至室温。焊接过程中当反变形预留量余量为5mm时，停止施焊，进行约束工装的安装（如图4所示），工装焊接固定后方可进行后续焊接，保证拉耳的安装精度。最终焊缝进行焊后热处理，加热至595～675℃，保温时间不低于135分钟。
第一批4个拉耳焊接完成后，发现4个拉耳从焊缝背面都可肉眼看见根部裂纹，经全部进行背部PT检测，显示裂纹贯穿整条焊缝，有些覆盖层母材也被拉裂。从焊缝背面反挖进去，裂纹深度最大达15mm（如图5所示）。
2.4第一批拉耳焊后裂纹缺陷产生原因分析
拉耳焊缝根部裂纹是焊件在冷却到200～300℃以下产生的，属于冷裂纹，而且裂纹多产生在熔合线母材侧，有延伸的倾向，方向为纵向。
氢、淬硬组织和应力是导致冷裂纹的3个原因，它们相互影响，相互促进，导致裂纹的主要原因进行排除分析。
1）淬硬倾向：耳板材质为SA299压力容器碳锰硅钢板，低合金高强度钢，淬硬倾向小，焊接性良好，不是本次产生冷裂纹的主要原因。
2）氢的作用：所用焊材虽不是低氢型焊材，但经过严格烘干，不排除焊接时有少量的氢留在焊缝内，但含量较低，不是产生冷裂纹的主要原因。
3）焊接的应力：对于δ=70mm厚度的拉耳，焊接时在厚度方向上的温度分布是不均匀的，焊接的一面受热膨胀大，另一面膨胀小甚至不膨胀，由于焊接面膨胀受阻，产生了较大的横向压缩塑性变形;在焊后冷却时就在钢板厚度方向上出现收缩不均匀的现象，致使两连接件间产生角变形，从而使背面根部承受很大的拉应力。当焊后角变形所产生的拉应力超过根部焊缝熔敷金属抗拉强度的临界值时，在最薄弱的根部焊缝处就会产生裂纹。因此焊接角变形所产生的拉应力是造成焊缝根部裂纹的主要原因。
2.5第二批拉耳焊接
通过对第一批拉耳焊接失败进行总结，了解底部裂纹形成原因，第二批拉耳焊接从以下几个方面进行质量把控：
1）预留反变形量：反变形预留从原先的60mm减少为30mm，这样可以减少角变形产生的拉应力对根部焊缝的作用。
2）定位焊：定位焊是厚板施工过程中最容易出现问题的部位，因为定位焊处的温度很容易被周围“冷却介质”快速冷却，造成局部过大的应力集中，引起裂纹的产生，延伸到焊缝中去。因此对第二批拉耳进行组对点固时，提高预热温度，加大预热范围，焊后保温一段时间，同时加大定位焊长度和熔敷金属的厚度。
3）打底焊：因根部焊缝易出现夹渣、气孔连线、未熔合和咬边等缺陷，缺陷处抗拉强度小，后续焊接收缩应力容易导致缺陷处产生裂纹。焊接时宜连续施焊，焊接完成后，检查背部质量。
4）填充焊：耳板焊接为厚板焊接，严格控制焊道宽度与厚度，焊道过宽与过厚容易引起裂纹与夹渣等缺陷产生，要求焊接过程中尽量不要停，因为前一道焊缝对后一道焊缝相当是一个预热的过程，后一道焊缝对前一道焊缝有后热作用，这样即可以减少预热次数，加快施工进度;也可以有效改善焊接过程中应力分布状态，保证焊接质量。下班或焊工因某种原因需长时间停止焊接，需对焊缝进行后热保温，温度不低于200℃，保温时间不少于90分钟。
5）盖面焊：盖面焊要求打磨抛光后不能低于母材表面，圆滑过渡处焊角高不宜过大，容易引起应力集中;盖面焊完后，也需对焊缝进行后热保温，温度不低于200℃，保温时间不少于90分钟。
6）热处理：热处理可以有效的去除焊缝中的残余应力，防止裂纹的产生。焊缝正、背两面都要有热电偶布置，热处理温度、保温时间、加热冷却速度严格按照标准规定的热处理工艺来做。
通过反变形预留量的合理预留（30mm，拉耳圆弧端部与垂直位置的距离），以及对预热、后热、热处理工艺过程的严格把关，第二批拉耳焊缝全部一次性合格。
3 结论
AP1000核电机组稳压器上部横向支撑拉耳安装焊缝为典型大厚板“T”型对接单边坡口焊缝，焊缝收缩力大且变形不好控制，需通过反变形预留减少焊接收缩内应力，反变形预留需考虑角变形的影响，不能过大（角变形≤5°，30mm）。焊前预热、焊后后热、最终焊缝热处理等热处理的加热片需均匀布置，确保加熱均匀，避免产生母材层状撕裂或根部冷裂纹等常见缺陷。
参考文献：
[1] 中国机械 工程学会焊接学会 焊接手册 北京：机械工业出版社
[2] 周振丰，焊接冶金学（金属焊接性）【M】.北京：机械工业出版社，2000.
[3] 陈祝年，焊接工程师手册【M】.北京：机械工业出版社，2002.
（作者单位：中国核工业第五建设有限公司）