早期用于制造低压转子的锻件材料主要为17CrMo1V,锻件强度较低,韧性较差,淬透性欠佳。第三代核电技术低压蒸汽为饱和蒸汽,低压转子尺寸大、质量重,末级长叶片更长,要求在半转速((1500 r/min)下高速旋转,因此承受着巨大的离心力、扭转力矩,对锻件材料提出了更高的要求。随着锻造、冶炼技术的不断改进,严格控制锻件中的杂质元素P、Sn、As、Sb等,能提高锻件的强度,改善韧性,降低FATT值,同时使锻件具有更好的抗应力腐蚀性能。上汽采用的700 MPa强度等级NiCrMoV钢,材料的淬透性好,可淬透截而尺寸达到1 200 mm,可以满足大型核电低压焊接转子的尺寸要求。
焊接坡口设计是否合理直接影响到焊缝质量、焊接过程中收缩应力分布及焊接效率。由于焊接转子是由小锻件拼焊连接而成的,内部形成型腔,焊后无法进行反而清根,因此需要单而焊双而成形。为了保证根部焊缝熔透的同时尽量减少根部焊缝应力,早期使用的焊接坡口形式如图1所示,根部使用开口的管子作为焊接衬垫,根部焊缝采用手工电焊条焊接完成,填充部分采用埋弧焊方法,因此坡口设计较宽。采用手工焊接,对焊工焊接技能水平要求极高,人为影响因素大,过程质量稳定性差,焊缝质量不容易控制。
随着焊接工艺技术的进步,自动化窄间隙工艺越来越广泛地应用在石油化工、能源、船舶、海洋平台等领域的大厚壁结构上。核电低压转子质量重,尺寸大,窄间隙焊接技术应该是较好的工艺方法。上汽根据自己的核电低压转子产品结构,开展了窄间隙焊接工艺技术开发工作,经过多次反复试验,最终优化后的坡口形式如图2所示,该坡口宽度仅为25mm左右。自动窄间隙焊接是一种高效、优质的焊接方法,在当前的焊接生产中得到了越来越多的使用。
窄间隙焊接技术相比其他技术具有如下优点。
(l)缩短焊接时间;(2)减少焊接材料费用;(3)减少焊接变形;(4)焊接质量稳定性高。
上汽采用优化后的坡口形式,应用窄间隙焊接方法,与原坡口形式进行对比,熔敷量大大减少,可以实现大厚度接头的高效焊接,有效地提高生产效率,焊缝质量良好,工艺稳定。
为了满足核电低压焊接转子的需要,上汽在2010年进行了设备升级,能够满足最大载重350t转子焊接的要求。封底及加厚焊道采用窄间隙氢弧焊完成,使用四把焊枪协同作业;填充焊道采用窄间隙埋弧焊,大幅度提高了焊接效率。其设备的主要指标如下:
(l)焊接转子最大质量:350t;(2)焊接转子最大外径尺寸:500 mm;(3)焊接坡口最大深度:260 mm。
核电低压焊接转子尺寸大、质量重,过程质量控制变得更为复杂、困难。上汽针对与核电低压转子尺寸一致的环形模拟件开展了工艺试验探索,并验证生产制造工艺,形成了核电低压焊接转子过程质量控制体系,其内容简介如下:
1)焊接坡口装配:
由于转子尺寸更大、质量增加,导致焊接装配变得更为困难,需要专用的工装来完成焊接轮盘的装配,为此设计了核电低压焊接转子专用起吊工装进行装配。转子坡口的加工精度及严格的装配工艺保证了转子装配同轴度的要求。
2)焊前预热及过程保温:
焊接转子锻件材料为NiCrMoV钢,由于其具有冷裂纹敏感性的特点,因此要求在一定的预热温度下焊接,防比冷裂纹的产生。上汽采用感应加热的方式对整个转子进行预热和保温,通过分区控温保证转子温度的整体均匀性。
3)焊接:
转子根部焊缝要求单而焊双而成形,因此第一道焊缝能否熔透,直接关系到焊缝的质量能否满足要求。氢弧焊封底焊时,焊接位置为横焊,通过精准的工艺控制实现根部焊缝100%熔透。
埋弧焊填充为全自动焊接过程,焊接位置为平焊,控制焊丝干伸长、焊接速度及层间温度,保证焊接质量。
全部焊接过程均进行过程质量记录,包括纸质与电子记录文档,保证焊接转子过程的可追溯。
4)焊后热处理:
核电低压焊接转子完工后,采用大型井式热处理炉进行焊后热处理。合理的热处理工艺保证转子焊缝区域残余应力处于较低的水平,同时具有良好的综合力学性能。通过监控转子不同位置的温度,保证焊后热处理过程满足要求。
5)焊后检验:
转子焊后热处理完成后,为了检验焊缝的质量,针对焊缝区域进行超声波及磁粉检验。制定了检验和验收标准来满足转子的设计要求。