本發(fā)明涉及核電站的鋼制安全殼，更具體地說，本發(fā)明涉及一種核電站鋼制安全殼的窄U型坡口及其自動焊接方法。

背景技術：

核電站鋼制安全殼是重要核安全二級設備，至下而上由底封頭、筒體、頂封頭構成一個壓力容器。整個鋼制安全殼是將約260塊平均厚度約44mm的弧形鋼板在施工現(xiàn)場組焊而成，屬核電建造領域中典型的大型焊接工程，其焊接效率和質(zhì)量直接制約著核電站建造周期和建造成本。

有人發(fā)明了一種窄間隙坡口，其包括上坡口、下坡口和底部鈍邊，以提高焊接效率和焊縫質(zhì)量。然而，該窄間隙坡口的上坡口與下坡口、下坡口與鈍邊的連接處均存在坡度突變點，不但對底部的組裝間隙有極高的精度要求，還增加了焊接未熔合缺陷的發(fā)生幾率；此外，經(jīng)計算，該窄間隙坡口的實際坡口區(qū)域和焊接區(qū)域的最小面積為338.5mm²，最大面積為505.5mm²，平均面積為422mm²，由于其面積仍較大，相應的焊接加工周期較長、材料成本較高。

有鑒于此，確有必要提供一種焊接加工周期較短、材料成本較低且避免產(chǎn)生未熔合缺陷的核電站鋼制安全殼的窄U型坡口及其自動焊接方法。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于：克服現(xiàn)有核電站鋼制安全殼的窄坡口中存在的不足，提供一種焊接加工周期較短、材料成本較低且避免產(chǎn)生未熔合缺陷的核電站鋼制安全殼的窄U型坡口及其自動焊接方法。

為了實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明提供了一種核電站鋼制安全殼的窄U型坡口，其包括底部凸臺、弧面部和平面部，底部凸臺與弧面部的底部相切連接，弧面部的頂部與平面部的底部相切連接。

本發(fā)明核電站鋼制安全殼的窄U型坡口，由于其底部凸臺與弧面部的底部相切連接，弧面部的頂部與平面部的底部相切連接，所以底部凸臺的寬度，弧面部的高度和寬度均與弧面部半徑相等。

作為本發(fā)明核電站鋼制安全殼的窄U型坡口的一種改進，所述底部凸臺的垂直高度為3～3.5mm。

作為本發(fā)明核電站鋼制安全殼的窄U型坡口的一種改進，所述弧面部的半徑為3～4mm。

作為本發(fā)明核電站鋼制安全殼的窄U型坡口的一種改進，所述平面部的角度為2～4°，高度為30.8～41.6mm，寬度為1.1～3.0mm。

為了實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明還提供了一種核電站鋼制安全殼的窄U型坡口的自動焊接方法，其包括如下步驟：

(1)使安全殼母材的相對端部形成窄U型坡口；

(2)對底部凸臺和弧面部進行旋轉(zhuǎn)擺動打底焊接，形成打底焊道；

(3)對平面部進行多層旋轉(zhuǎn)擺動填充焊接，形成填充焊道；

(4)對平面部的頂部進行直線擺動蓋面焊接，形成蓋面焊道。

作為本發(fā)明核電站鋼制安全殼的窄U型坡口的自動焊接方法的一種改進，在步驟(2)之前，先在底部凸臺的底部安裝襯墊，可降低組裝間隙的精度要求，并可降低焊接過程中燒穿的風險。

作為本發(fā)明核電站鋼制安全殼的窄U型坡口的自動焊接方法的一種改進，所述襯墊為陶瓷襯墊或銅襯墊，其寬度為25～40mm，高度為5～12mm。

作為本發(fā)明核電站鋼制安全殼的窄U型坡口的自動焊接方法的一種改進，所述襯墊采用耐高溫粘膠安裝固定于底部凸臺的底部。

作為本發(fā)明核電站鋼制安全殼的窄U型坡口的自動焊接方法的一種改進，步驟(2)中，所述打底焊接時，襯托打底焊接熔敷金屬的凹槽寬度為5～10mm，最大高度為1～3mm。

作為本發(fā)明核電站鋼制安全殼的窄U型坡口的自動焊接方法的一種改進，所述步驟(2)的打底焊接參數(shù)設定如下：平均電流70～130A，電壓18～23V，焊接速度5～12cm/min；焊接過程中，扁平噴嘴固定不動，彎曲導電嘴以自身軸線I-I為中心進行對稱旋轉(zhuǎn)，彎曲導電嘴的彎曲角度為6～12°，電弧從坡口一側旋轉(zhuǎn)至另一側經(jīng)過的角度為30～50°，電弧從坡口一側旋轉(zhuǎn)至另一側經(jīng)過的角速度為190～240°/s，電弧在坡口兩側的停留時間為0.5～1.0s。

作為本發(fā)明核電站鋼制安全殼的窄U型坡口的自動焊接方法的一種改進，所述步驟(3)的填充焊接參數(shù)設定如下：平均電流80～160A，電壓19～26V，焊接速度6～15cm/min；焊接過程中，扁平噴嘴固定不動，彎曲導電嘴以自身軸線II-II為中心進行對稱旋轉(zhuǎn)，隨著填充坡口寬度增加，彎曲導電嘴的彎曲角度由6～12°逐漸增加至10～20°，電弧從坡口一側旋轉(zhuǎn)至另一側經(jīng)過的角度由30～50°逐漸增加至45～90°，電弧從坡口一側旋轉(zhuǎn)至另一側經(jīng)過的角速度為150～230°/s，電弧在坡口兩側的停留時間為0.6～1.2s。

作為本發(fā)明核電站鋼制安全殼的窄U型坡口的自動焊接方法的一種改進，所述步驟(4)的蓋面焊接參數(shù)設定如下：平均電流100～140A，電壓19～23V，焊接速度6～12cm/min；焊接過程中，筒形噴嘴和直線導電嘴在坡口兩側來回直線擺動，擺動幅度為13～18mm，電弧從坡口一側擺動至另一側的速度為100～180cm/min，電弧在坡口兩側的停留時間為0.6～0.8s。

作為本發(fā)明核電站鋼制安全殼的窄U型坡口的自動焊接方法的一種改進，所述焊接的保護氣體是體積比為75～95％Ar與5～25％CO₂的活性混合氣體，氣體流量15～30L/min。

作為本發(fā)明核電站鋼制安全殼的窄U型坡口的自動焊接方法的一種改進，焊接使用的焊絲是實心焊絲，直徑為1.0～1.2mm。

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點：

(1)本發(fā)明減小了焊接坡口尺寸，從而減小了焊接填充了和坡口加工量，所得核電站鋼制安全殼的窄U型坡口的面積顯著減少，因此可縮短焊接周期和坡口加工周期，還可降低焊材采購成本和坡口加工成本；本發(fā)明坡口面積計算方法請結合參閱圖1，具體如下：實際坡口區(qū)域和焊接區(qū)域為圖1中的陰影區(qū)域Y2，此區(qū)域的面積S2＝0.5πR2+0.5[2R+2R+2(B-B1-R)tanβ]×(B-B1-R)?？梢姡?/p>

當B1取最大值、β取最小值，面積S₂最小，其值為S₂＝0.5πR²+0.5[4R+2(B-3.5-R)tan2°]×(B-3.5-R)＝(0.5π-2+tan2°)R²+(2B-7)(1-tan2°)R+(B-3.5)²tan2°。此時若R最小，即為3mm時，有最小面積S₂＝9(0.5π-2+tan2°)+3(2B-7)(1-tan2°)+(B-3.5)²tan2°；

當B1取最小值、β取最大值，面積S2最大，其值為S2＝0.5πR²+0.5[4R+2(B-3-R)tan4°]×(B-3-R)＝(0.5π-2+tan4°)R2+(2B-6)(1-tan4°)R+(B-3)2tan4°。此時若R最大，即為4mm時，有最大面積S2＝16(0.5π-2+tan4°)+4(2B-6)(1-tan4°)+(B-3)2tan4°。

現(xiàn)有的鋼制安全殼平均板厚B為44mm，因此可得本發(fā)明核電站鋼制安全殼的窄U型坡口的實際坡口區(qū)域和焊接區(qū)域的最小面積為297.5mm²，最大面積416.8mm²，平均面積357mm²，明顯小于現(xiàn)有的窄間隙坡口；

(2)本發(fā)明核電站鋼制安全殼的窄U型坡口的整個坡口面圓滑過渡，不存在坡度突變點，降低產(chǎn)生未熔合缺陷的幾率；

(3)本發(fā)明在打底焊接時通過采用襯墊，可降低組裝間隙的精度要求，還可減少焊接中燒穿的風險；

(4)本發(fā)明采用扁平噴嘴固定伴隨導電嘴旋轉(zhuǎn)焊接技術，隨著填充坡口寬度的增加，導電嘴的彎曲角度和導電嘴旋轉(zhuǎn)經(jīng)過的角度逐漸增加，使電弧與小角度坡口側壁的距離相等，保證坡口側壁的熔深，解決了坡口尺寸減小易造成坡口側壁未熔合的焊接質(zhì)量問題。

附圖說明

下面結合附圖和具體實施方式，對本發(fā)明核電站鋼制安全殼的窄U型坡口及其自動焊接方法、有益效果進行詳細說明。

圖1為本發(fā)明核電站鋼制安全殼的窄U型坡口的實際坡口區(qū)域和焊接區(qū)域的面積計算示意圖。

圖2為本發(fā)明核電站鋼制安全殼的窄U型坡口結構示意圖。

圖3為本發(fā)明核電站鋼制安全殼的窄U型坡口底部安裝有襯墊的結構示意圖；

圖4為本發(fā)明核電站鋼制安全殼的窄U型坡口的焊接方法中，安裝有襯墊步驟(2)的焊接示意圖。

圖5為本發(fā)明核電站鋼制安全殼的窄U型坡口的焊接方法中，步驟(3)的焊接示意圖。

圖6為為本發(fā)明核電站鋼制安全殼的窄U型坡口的焊接方法中，步驟(4)的焊接示意圖。

附圖標記對照表：

1001-底部凸臺；1003-弧面部；1005-平面部；201-襯墊；2001-扁平噴嘴；2002-筒形噴嘴；2003-彎曲導電嘴；ε1-彎曲導電嘴的彎曲角度；α1-電弧從坡口一側旋轉(zhuǎn)至另一側經(jīng)過的角度；2004-直線導電嘴；Y2-本發(fā)明核電站鋼制安全殼的窄U型坡口的實際坡口區(qū)域和焊接區(qū)域的面積；B-鋼制安全殼板的厚度；B1-底部凸臺的垂直高度；B2-鋼制安全殼板的厚度減去底部凸臺的垂直高度所得差值；R-弧面部的半徑；β-平面部的角度；G1-襯墊高度；G2-襯托打底焊道熔敷金屬的凹槽的高度；K1-襯墊寬度；K2-襯托打底焊道熔敷金屬的凹槽的寬度。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的發(fā)明目的、技術方案和有益技術效果更加清晰，以下結合實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應當理解的是，本說明書中描述的實施例僅僅是為了解釋本發(fā)明，并非為了限定本發(fā)明，實施例的配方、比例等可因地制宜做出選擇而對結果并無實質(zhì)性影響。

請參閱圖2，本發(fā)明核電站鋼制安全殼的窄U型坡口包括底部凸臺1001、弧面部1003和平面部1005，底部凸臺1001與弧面部1003的底部相切連接，弧面部1003的頂部與平面部1005的底部相切連接。

本發(fā)明一個具體實施例中，底部凸臺1001的垂直高度B1為3.2mm，弧面部1003的半徑R為3.5mm，平面部1005的角度β為3°，高度B2為37.8mm。

請參閱圖3～6，本發(fā)明核電站鋼制安全殼的窄U型坡口自動焊接方法中，焊接時的保護氣體是體積比為80％Ar與20％CO₂的活性混合氣體，氣體流量25L/min。焊接使用的焊絲是實心焊絲，直徑為1.2mm；具體包括以下步驟：

(1)使安全殼母材(圖中未標示)的相對端部形成圖1所示的窄U型坡口；

(2)使用耐高溫粘膠將陶瓷襯墊201安裝在底部凸臺的底部，襯墊201的寬度K1為30mm，高度G1為8mm；

打底焊接：設定焊接時的平均電流為95A，電壓為20V，焊接速度為7.5cm/min；焊接過程中，扁平噴嘴2001固定不動，彎曲角度ε1為9°的彎曲導電嘴2003以自身軸線I-I為中心進行對稱旋轉(zhuǎn)，對底部凸臺1001和弧面部1003進行擺動打底焊接，電弧從坡口一側旋轉(zhuǎn)至另一側經(jīng)過的角度α1為45°、角速度為220°/s，電弧在坡口兩側的停留時間為0.7s，以此方法形成打底焊道；襯托打底焊接熔敷金屬的凹槽寬度K2為9mm，最大高度G2為1.5mm；

(3)對平面部1005進行多層旋轉(zhuǎn)擺動填充焊接：

設定焊接時的平均電流為130A，電壓為22V，焊接速度為8cm/min；焊接過程中，扁平噴嘴2001固定不動，彎曲角度ε1由12°逐漸增加至18°的彎曲導電嘴2003以自身軸線II-II為中心進行對稱旋轉(zhuǎn)，隨著填充坡口寬度增加，電弧從坡口一側旋轉(zhuǎn)至另一側經(jīng)過的角度α1由55°逐漸增加至85°，電弧從坡口一側旋轉(zhuǎn)至另一側經(jīng)過的角速度為200°/s，電弧在坡口兩側的停留時間為0.85s，以此方法形成填充焊道；

(4)對平面部1005的頂部進行直線擺動蓋面焊接：

設定焊接時的平均電流為120A，電壓為21V，焊接速度為10cm/min；焊接過程中，筒形噴嘴2002和直線導電嘴2004在坡口兩側來回直線擺動，擺動幅度為16mm，電弧從坡口一側擺動至另一側的速度為150cm/min，電弧在坡口兩側的停留時間為0.7s，以此方法形成蓋面焊道。

本發(fā)明通過在核電站鋼制安全殼上采用窄U型坡口，使其平均面積明顯減少，降低了成本，縮短了坡口的焊接和加工周期；整個窄U型坡口圓滑過渡，可避免產(chǎn)生未熔合缺陷；通過使用扁平嘴固定伴隨導電嘴旋轉(zhuǎn)自動焊接技術，解決了坡口尺寸減少導致的坡口側壁未熔合的焊接質(zhì)量問題，提高了焊接效率，縮短了焊接周期。

根據(jù)上述說明書的揭示和教導，本發(fā)明所屬領域的技術人員還可以對上述實施方式進行適當?shù)淖兏托薷?。因此，本發(fā)明并不局限于上面揭示和描述的具體實施方式，對本發(fā)明的一些修改和變更也應當落入本發(fā)明的權利要求的保護范圍內(nèi)。此外，盡管本說明書中使用了一些特定的術語，但這些術語只是為了方便說明，并不對本發(fā)明構成任何限制。