中核二三公司臺(tái)山項(xiàng)目部 （廣東 529228） 梁志文 劉曉多

我國核電站核島輔助管道的安裝施工中主要的焊接方法是鎢極氬弧焊或氬-電聯(lián)合焊（氬弧打底，焊條電弧焊填充蓋面）。壁厚≥7mm的管道一般采用氬電聯(lián)合焊，<7mm的管道則采用氬弧焊。臺(tái)山EPR核電站核島安裝工程輔助管道的安裝施工中，大量使用φ33.7mm×2.6mm的不銹鋼小管，按照以往的焊接經(jīng)驗(yàn)，該規(guī)格的小管采用手工氬弧焊，開V形坡口，留1～4mm的組對(duì)間隙，該焊接工藝生產(chǎn)效率相對(duì)較低，需填充焊絲，對(duì)焊工的技能水平要求較高，其焊接質(zhì)量和效率主要依靠焊工技能水平和經(jīng)驗(yàn)，受焊工個(gè)人的情緒及周圍環(huán)境影響，出現(xiàn)一定比例的焊接缺陷。

不添絲的TIG全自動(dòng)焊接工藝指的是在焊接過程中不添加焊絲而利用焊接熱量直接熔化焊縫金屬，使焊縫金屬實(shí)現(xiàn)良好成形的焊接工藝。在核電站應(yīng)用方面，可用來焊接壁厚≤3mm的碳鋼及不銹鋼管道，此項(xiàng)工藝曾在秦山三期核電站有過應(yīng)用。φ33.7mm×2.6mm不銹鋼小管采用TIG不填絲自動(dòng)焊工藝，可單道焊接達(dá)到單面焊雙面成形的效果，提高焊接效率和質(zhì)量，我們對(duì)此規(guī)格的小管按RCCM2007要求進(jìn)行了評(píng)定。

1. 材料性能

小管規(guī)格為φ33.7mm×2.6mm，材質(zhì)為1.4307，根據(jù) PD CEN ISO/TR 15608 分組，1.4307屬于8.1組不銹鋼，其化學(xué)成分及力學(xué)性能滿足 EN 10216—5要求。

2. 工藝評(píng)定的目的

（1）工藝評(píng)定主要目的是為驗(yàn)證能否獲得力學(xué)性能符合要求的焊接接頭。

（2）掌握合理的技術(shù)規(guī)范，制定出切實(shí)可行的焊接作業(yè)指導(dǎo)書。為現(xiàn)場焊接提供優(yōu)質(zhì)、高效的服務(wù)。

（3）為核電安裝不銹鋼小管焊接提供有力的技術(shù)工藝保證。

3. 焊接設(shè)備的先擇

本次工藝使用加拿大利寶地公司生產(chǎn)的P300自動(dòng)脈沖氬弧焊機(jī)，M250開放式焊接機(jī)頭，采用管道水平固定機(jī)頭旋轉(zhuǎn)不填充焊絲的焊接方法，充分利用脈沖焊的單面焊雙面成形等優(yōu)點(diǎn)，如圖1所示。

圖1 自動(dòng)焊機(jī)及M250開放式機(jī)頭

4. 焊前準(zhǔn)備

對(duì)φ33.7mm×2.6mm規(guī)格的不銹鋼管道進(jìn)行參數(shù)的開發(fā)，固化其參數(shù)范圍后，焊接試件經(jīng)過外觀、射線檢測，保證焊接合格率95%以上后啟動(dòng)工藝評(píng)定。

參與工藝評(píng)定人員包括：焊接技術(shù)人員、焊接質(zhì)量檢查人員及焊工等；工藝評(píng)定母材要求有出廠合格證、材質(zhì)證明，其化學(xué)成分和力學(xué)性能符合相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，且與實(shí)際生產(chǎn)相類同；工藝評(píng)定用焊接設(shè)備應(yīng)處于相對(duì)穩(wěn)定的正常工作狀態(tài)，儀表、氣體、流量計(jì)等應(yīng)計(jì)量標(biāo)定合格，處于正常工作狀態(tài)。

5. 試件的焊接

按照標(biāo)準(zhǔn)要求試件長度應(yīng)≥150mm，使用M250機(jī)頭時(shí)，試件應(yīng)有足夠長度來裝夾機(jī)頭，同時(shí)為了進(jìn)行機(jī)加工藝試驗(yàn)理化試樣時(shí)有足夠的加工余量，截取φ33.7mm×2.6mm管道試件長度≥200mm，工藝試驗(yàn)需要做拉伸、彎曲、金相等理化試驗(yàn)，所以試件的截取數(shù)量應(yīng)滿足理化試驗(yàn)的取樣要求，至少8個(gè)試件。

（1）坡口的準(zhǔn)備 使用坡口機(jī)或車床把試件加工成I形坡口，使用銼刀去除毛刺，以免影響組對(duì)間隙。

（2）坡口的清潔 使用砂紙打磨清除待焊坡口內(nèi)外壁20mm范圍的氧化皮，用丙酮清洗去除坡口處的油污。

（3）組對(duì) 使用手工氬弧焊機(jī)進(jìn)行點(diǎn)焊組對(duì)，無填充材料的點(diǎn)固焊縫（點(diǎn)焊3個(gè)點(diǎn)，均勻分布，點(diǎn)固焊縫為2～5mm，無需焊透，包含在正式焊縫中），組對(duì)不留間隙（坡口組對(duì)間隙不透光即可），組對(duì)錯(cuò)邊量≤0.2mm，如圖2所示。

圖2 坡口準(zhǔn)備

（4）裝夾 將M250機(jī)頭裝夾到試件上，將鈰鎢極磨削成30°并將鎢極安裝到M250機(jī)頭上，調(diào)整鎢極對(duì)準(zhǔn)焊縫。

（5）參數(shù)輸入 在P300自動(dòng)焊機(jī)主屏上輸入焊接參數(shù)。

（6）氬氣保護(hù) 背面進(jìn)行氬氣保護(hù)，流量不能過大或過小，一般控制在8～10L/min。

（7）焊接 從12點(diǎn)鐘位置起弧，進(jìn)行焊接時(shí)正面氬氣流量為10～12L/min，沿逆時(shí)針方向焊接，記錄焊接參數(shù)。

6. 焊接參數(shù)的選擇

焊接參數(shù)包括：焊段數(shù)、脈波頻率、占空比、行走延遲、電弧電壓、焊接電流（高峰、低峰）及氣體流量等。對(duì)φ33.7mm×2.6mm的不銹鋼管道進(jìn)行焊接試驗(yàn)，把部分焊接參數(shù)（行走延遲、占空比、頻率等）進(jìn)行固化，主要通過改變焊接電流來研究焊縫的成形。焊接機(jī)頭起弧后通過行走延遲對(duì)管道進(jìn)行預(yù)熱，隨后根據(jù)設(shè)定的速度和電流焊接，焊縫的溫度隨著焊接過程逐漸升高，焊接電流相應(yīng)減小，把整個(gè)參數(shù)的電流劃分為5個(gè)段，即：I1＞I2＞I3＞I4＞I5，通過大量的焊接試驗(yàn)，在部分參數(shù)固化的前提下，在小范圍內(nèi)選擇焊接電流均可獲得合格的焊縫如表1、圖3所示。

表1 主要焊接參數(shù)

焊件厚度和尺寸是選擇焊接電流的主要考慮因素。焊接電流通常與電弧穿透深度成正比，焊接電流越大，則焊縫金屬單位面積的熱輸入量就越大，電弧的穿透深度也就越大；反之，則越小。焊接過程如圖4所示。

圖3 焊接段落區(qū)間示意

圖4 焊接過程和焊縫

7. 可能出現(xiàn)的焊接缺陷及對(duì)應(yīng)的解決措施

對(duì)于不填絲自動(dòng)焊工藝而言，可能出現(xiàn)的缺陷為內(nèi)凹和表面凹陷，而其他手工焊接過程中常見的缺陷則不會(huì)出現(xiàn)。內(nèi)凹或表面凹陷是自動(dòng)焊中最常見的一種缺陷，其主要形成原因是：①坡口加工精度未能滿足要求。②背面充氬流量過大。③組對(duì)錯(cuò)邊量過大。④焊接參數(shù)不合理（不穩(wěn)定）。

解決途徑：①采購專業(yè)坡口加工機(jī)具，保證坡口加工精度。對(duì)于管道質(zhì)量（主要是圓度、壁厚均勻程度）不合格而不能滿足采購技術(shù)規(guī)范要求的管道要拒絕驗(yàn)收，主要考慮的是管道圓度會(huì)對(duì)坡口加工質(zhì)量造成影響。②背面充氬流量要按照要求來控制。③制定的焊接參數(shù)穩(wěn)定性強(qiáng)。

通過上述分析，雖然影響自動(dòng)焊缺陷的因素是多方面的，但是只要做好預(yù)控工作，完全可以避免。

8. 無損檢測和坡壞性試驗(yàn)

工藝評(píng)定試件經(jīng)過無損檢測，包括外觀檢查、液體滲透檢測、射線檢測，符合RCCM2007標(biāo)準(zhǔn)的要求，如表2所示。

工藝評(píng)定試件按要求進(jìn)行的坡壞性試驗(yàn)包括整管拉伸、彎曲試驗(yàn)、金相試驗(yàn)，如表3所示。

表2 無損檢測

表3 坡壞性試驗(yàn)

9. 效益分析

TIG不填絲自動(dòng)焊對(duì)接工藝是國內(nèi)首次將自動(dòng)焊技術(shù)應(yīng)用于核島輔助管道的安裝施工，其具有以下幾方面優(yōu)勢(shì)。

（1）效率高 其坡口加工簡單，組對(duì)時(shí)間短，焊接活動(dòng)可持續(xù)不間斷地進(jìn)行。

（2）操作簡單 自動(dòng)焊擺脫了對(duì)焊工技術(shù)水平的嚴(yán)重依賴，而是依靠先進(jìn)的設(shè)備和成熟的焊接工藝，焊工只需按照工藝規(guī)程進(jìn)行操作即可得到合格的焊接產(chǎn)品。

（3）節(jié)約焊材 在焊接過程中不需要焊接填充材料，節(jié)約了焊材成本。

（4）焊縫質(zhì)量穩(wěn)定 不受環(huán)境、人員情緒等因素影響，保證了焊接的穩(wěn)定性，從而減少了焊接缺陷的產(chǎn)生，并且可以長時(shí)間持續(xù)穩(wěn)定工作。

（5）施工條件改善 由于設(shè)備操作簡單，降低了焊工的疲勞強(qiáng)度，另外減少了與粉塵和有害氣體的接觸，從而減小焊接對(duì)焊工身體的傷害。

10. 技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)

臺(tái)山EPR核電小管均為全熔透對(duì)接焊縫，RCCM2007標(biāo)準(zhǔn)對(duì)工藝評(píng)定焊縫和產(chǎn)品焊縫無損檢測的要求較嚴(yán)格，若熱輸入稍大則容易造成焊縫表面低于母材，達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)要求，而熱輸入稍小則會(huì)產(chǎn)生根部未焊透缺陷。本工藝采用固化部分焊接參數(shù)，主要調(diào)節(jié)焊接電流的方法開發(fā)了一套穩(wěn)定的參數(shù)，設(shè)置5個(gè)參數(shù)段，實(shí)現(xiàn)了f33.7mm×2.6mm不銹鋼管TIG不填絲自動(dòng)焊，焊接結(jié)果滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

11. 結(jié)語

材質(zhì)為1.4307的f33.7mm×2.6mm奧氏體不銹鋼小管，按以上工藝評(píng)定焊接試驗(yàn)方案對(duì)相應(yīng)規(guī)格、位置進(jìn)行規(guī)范的焊接及檢測，各項(xiàng)力學(xué)性能合格，證明其試驗(yàn)方案完全可行。為此，我們?cè)诠に囋囼?yàn)結(jié)果及其合格率的基礎(chǔ)上，編制了焊接工藝評(píng)定報(bào)告及焊接作業(yè)指導(dǎo)書，作為1.4307材質(zhì)f33.7mm×2.6mm管道焊接的重要技術(shù)依據(jù)，并應(yīng)用于臺(tái)山核電站。