嚴(yán)連菊 傅存海

（1.中國(guó)核工業(yè)第五建設(shè)有限公司 中國(guó) 上海 201512；2.中鐵隧道集團(tuán)三處有限公司 廣東 深圳 518520）

全自動(dòng)窄間隙鎢極氬弧焊和傳統(tǒng)手工焊焊接接頭性能比較

嚴(yán)連菊1傅存海2

（1.中國(guó)核工業(yè)第五建設(shè)有限公司 中國(guó) 上海 201512；2.中鐵隧道集團(tuán)三處有限公司 廣東 深圳 518520）

本文簡(jiǎn)要介紹了壓水堆核電站的原理和主管道焊接質(zhì)量的重要性，主要介紹了全自動(dòng)窄間隙鎢極氬弧焊的（NG-GTAW）的特點(diǎn)，并通過對(duì)全自動(dòng)窄間隙鎢極氬弧焊和傳統(tǒng)主管道焊接方法（手工鎢極氬弧焊和焊條電弧焊組合焊GTAW-SMAW）在工藝、焊接接頭力學(xué)性能等方面的比較，總結(jié)出了全自動(dòng)窄間隙鎢極氬弧焊在焊接過程質(zhì)量控制和焊接效率和焊接變形方面的優(yōu)點(diǎn)。

窄間隙鎢極氬弧焊；傳統(tǒng)手工焊；性能；比較

0 概述

焊接是核電建設(shè)中必不可少的工藝，焊接質(zhì)量直接影響著核電站的安全運(yùn)行，故核電建設(shè)中，對(duì)焊接質(zhì)量要求非常嚴(yán)，在工藝、設(shè)備等選擇上，要求非常高。隨著科技的發(fā)展，核電建設(shè)中的焊接方法和工藝也有所進(jìn)步，國(guó)外一些先進(jìn)的焊接技術(shù)正在逐步走進(jìn)中國(guó)核電，其中最具代表性的就是全自動(dòng)窄間隙鎢極氬弧焊接技術(shù)。

目前，我國(guó)核電建設(shè)所采用的焊接方法基本為手工鎢極氬弧焊和焊條電弧焊。傳統(tǒng)的主管道焊接也采用此兩種焊接方法，即手工鎢極氬弧焊打底，焊條電弧焊填充和蓋面。一個(gè)對(duì)接焊縫需持續(xù)一個(gè)多月時(shí)間才能完成，焊工勞動(dòng)強(qiáng)度大，焊接效率低，且焊接質(zhì)量受較多人為因素的影響，難以控制。目前我國(guó)在建的浙江三門和山東海陽AP1000核電引進(jìn)了已在西方發(fā)達(dá)國(guó)家成熟應(yīng)用的窄間隙全自動(dòng)鎢極氬弧焊技術(shù)。

1 AP1000壓水堆核電站主管道介紹

AP1000核電是由美國(guó)西屋公司開發(fā)的一種兩環(huán)路1000MWe的非能動(dòng)壓水反應(yīng)堆核電。目前我國(guó)山東海陽和浙江三門的在建核電站均為此堆型。壓水堆是目前比較廣泛采用的核反應(yīng)堆。其特征是水在堆芯內(nèi)不沸騰，但必須保持在高壓狀態(tài)。其原理是用鈾制成的核燃料在反應(yīng)堆內(nèi)進(jìn)行裂變并釋放出大量熱能；高壓下的循環(huán)冷卻水把熱能帶出，在蒸汽發(fā)生器內(nèi)生成蒸汽，高溫高壓的蒸汽推動(dòng)汽輪機(jī)，進(jìn)而推動(dòng)發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)。

主管道是壓水堆核電站核島內(nèi)七大關(guān)鍵設(shè)備之一，是連接反應(yīng)堆壓力容器（RPV）、蒸汽發(fā)生器(SG)和反應(yīng)堆冷卻劑泵(PR)的閉式循環(huán)回路，是壓水堆核電站最關(guān)鍵的核安全1級(jí)設(shè)備，被稱為核電站的主動(dòng)脈，所運(yùn)輸?shù)睦鋮s劑含有從反應(yīng)堆中帶出來的放射性物質(zhì) （含硼水），且是中溫高壓的介質(zhì)，一旦發(fā)生泄露，將會(huì)對(duì)人體和生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重的危害，后果不堪設(shè)想，故對(duì)焊接接頭的性能要求也非常高，對(duì)其焊接質(zhì)量及其重要。壓水堆核電站主管道一般分為A、B兩個(gè)回路，每個(gè)回路主要由冷段、熱段組成，材質(zhì)一般是抗腐蝕較好的奧氏體不銹鋼，并具有管徑大，管壁厚的特點(diǎn)。AP1000主管道是中國(guó)AP1000自主化依托項(xiàng)目中唯一沒有引進(jìn)國(guó)外技術(shù)的核島關(guān)鍵設(shè)備[1]。

2 窄間隙焊和傳統(tǒng)焊接方法的比較

1）窄間隙焊和傳統(tǒng)焊接方法的比較簡(jiǎn)述

窄間隙焊技術(shù)是一種應(yīng)用傳統(tǒng)熔焊方法的特別技術(shù)，傳統(tǒng)的熔焊方法一般有熔化極氣保焊、埋弧焊、鎢極氬弧焊和藥芯焊絲電弧焊等[2]，AP1000核電主管道首次采用窄間隙鎢極氬弧焊 （NG-GTAW）技術(shù)，與傳統(tǒng)的手工焊相比，NGGTAW自動(dòng)焊有如下特點(diǎn)：

（1）焊縫坡口小，節(jié)省材料，且焊縫金屬?zèng)]有更換焊條或焊絲的焊接接頭，所以在很大程度上減少了焊接材料。

（2）焊接熱輸入小，焊接變形小。

（3）自動(dòng)化程度高，減少了人為因素，便于控制焊接質(zhì)量。

（4）降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，改善了工作環(huán)境。

（5）首次采用，工藝不夠成熟，風(fēng)險(xiǎn)較大。

2）焊接坡口比較

窄間隙焊，顧名思義，就是采用小角度，小間隙的坡口。圖1為一典型的NG-GTAW坡口示意圖。較傳統(tǒng)的手工焊坡口，其坡口角度α和R角都較小，傳統(tǒng)手工焊的組對(duì)間隙一般在1.5～3.5mm之間，而NG-GTAW基本上都控制在2mm以內(nèi)。從坡口形式可以直觀的看出，NG-GTAW焊縫截面積小，焊縫金屬熔敷量少。相對(duì)傳統(tǒng)的手工焊，NG-GTAW減少了焊材消耗，且由于鎢極氬弧焊自身的特點(diǎn)，焊接過程中不用清理焊渣，焊縫清潔簡(jiǎn)便，故NG-GTAW在一定程度上降低了生產(chǎn)成本幷提高了生產(chǎn)效率[3]。

圖1 典型窄間隙坡口示意圖

3）焊接接頭性能比較

較傳統(tǒng)的手工焊，NG-GTAW一般采用脈沖電流，可以采用較小的焊接熱輸入獲得較大的溶深，試件冷卻速度快，焊接熱影響區(qū)（HAZ）很窄，母材原始晶粒的粗晶脆化傾向和對(duì)塑性損傷較小。且脈沖電流對(duì)點(diǎn)狀熔池有較強(qiáng)的攪拌作用，進(jìn)一步加快了熔池金屬的冷卻速度，縮短了其在高溫的停留時(shí)間，更容易得到致密、細(xì)小的焊縫組織，并且減小了金屬的裂紋傾向[4]。采用多層多道焊，每層焊縫厚度比手工焊薄，約1.5～2.5mm，后一層焊縫對(duì)前一層焊縫的焊后熱處理更徹底，使得焊縫金屬的晶粒更細(xì)小。故相對(duì)傳統(tǒng)的手工焊，NGGTAW更容易得到優(yōu)質(zhì)的焊接接頭。表1對(duì)NG-GTAW和GTAW-SMAW試件力學(xué)性能進(jìn)行對(duì)比?？梢钥闯?，NGGTAW與傳統(tǒng)焊接方法焊接接頭力學(xué)性能相比，均有所提升。

表1 NG-GTAW和GTAW-SMAW力學(xué)性能比較

對(duì)NG-GTAW接頭組織（焊縫金屬和熱影響區(qū)組織分別見圖2和圖3）和GTAW-SMAW接頭組織（焊縫金屬和熱影響區(qū)組織分別見圖4和圖5）進(jìn)行對(duì)比，可以看出，二者的焊縫組織和HAZ的組織均為奧氏體加少量鐵素體，但是，前者晶粒更致密，細(xì)小，且熔合區(qū)較窄。

圖2 NG-GTAW焊縫金相組織（200×）

圖3 NG-GTAWHAZ金相組織（200×）

圖4 GTAW+SMAW焊縫金相組織（200×）

圖5 GTAW+SMAW HAZ金相組織（200×）

4）焊接后殘余變形比較

焊接殘余應(yīng)力和殘余變形主要取決于母材的特性（熱導(dǎo)率、母材直徑、厚度等），焊接熱輸入、焊縫坡口形式等。對(duì)窄間隙鎢極氬弧焊 （NG-GTAW）和傳統(tǒng)手工鎢極氬弧焊-焊條電弧焊(GTAW-SMAW)奧氏體不銹鋼管道焊接軸向收縮量進(jìn)行打點(diǎn)測(cè)量，結(jié)果如圖6所示。

圖6 NG-GTAW和GTAW-SMAW焊后試件軸向收縮量比較圖

可以從圖6看出，焊接軸向收縮量和焊縫層數(shù)有關(guān)，NG-GTAW前10層對(duì)收縮量的影響較大，且隨著焊縫金屬厚度的增加，焊縫熱循環(huán)對(duì)收縮量的影響越小，單層收縮量越小。全自動(dòng)NG-GTAW的軸向收縮量在7mm以內(nèi)，而傳統(tǒng)的手工焊約在10～11mm之間。

3 總結(jié)

通過對(duì)NG-GTAW和GTAW-SMAW工藝和焊接接頭性能的比較，可以看出，NG-GTAW的焊接接頭性能良好，二者相比，具有如下優(yōu)勢(shì)：

1）焊接效率高，NG-GTAW坡口截面積小，大大減少了焊縫金屬填充量。

2）NG-GTAW實(shí)現(xiàn)了焊接技術(shù)的自動(dòng)化，很大程度上降低了焊工的勞動(dòng)強(qiáng)度。

3）自動(dòng)化程度高，降低了人為因素對(duì)焊接質(zhì)量的影響，且焊接具備攝像監(jiān)控功能，提高了對(duì)焊接質(zhì)量和焊接過程的可控性。

4）NG-GTAW焊接熱輸入小，焊接熱影響區(qū)小，且易得到細(xì)小的晶粒，接頭塑性、韌性和力學(xué)性能容易保證。

5）NG-GTAW焊接殘余應(yīng)力和焊后殘余變形小。

［1］西屋電氣公司.西屋公司的AP1000先進(jìn)非能動(dòng)型核電廠[J].現(xiàn)代電力，23（5）.

［2］胡存銀，張富局.窄間隙焊接的技術(shù)與經(jīng)濟(jì)特性分析[J].窄間隙焊專題，30（2）.

［3］王海東，任偉，裴月梅，陳明.壓水堆核電站主回路管道窄間隙自動(dòng)焊工藝研究[J].電焊機(jī)，40（8）.

［4］王宗杰.焊接方法及設(shè)備[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006，12.

周娜］