吳 崢，楊曾辰

（上海電氣電站設(shè)備有限公司上海電站輔機(jī)廠，上海 200090）

0 概 述

目前，AP1000核電技術(shù)是美國核管理委員會(huì)唯一批準(zhǔn)的“第三代”核電技術(shù)，也是當(dāng)前全球核電市場中最安全、最先進(jìn)的商業(yè)核電技術(shù)。AP1000最大的特點(diǎn)就是設(shè)計(jì)簡練，易于操作，而且充分利用了諸多“非能動(dòng)的安全體系”，既提高了核電站的安全性，也顯著減少了核電機(jī)組的投資額，同時(shí)還能降低核電機(jī)組的運(yùn)行成本。

AP1000核電機(jī)組中的余熱熱交換器，是采用管子管板連接形式的熱交換器，管箱、管板、殼體均由法蘭連接。殼側(cè)部件的主要材料為SA－516Gr.70鋼板，管板材料為SA－182F316L的不銹鋼鍛件，管箱材料為SA－533BCL.1鋼板，U型管（1199根）材料為SA－213TP304L不銹鋼管。由于管箱中的介質(zhì)為設(shè)備冷卻劑，因此，管箱的內(nèi)表面均有不銹鋼堆焊層。此外，凡是與介質(zhì)相接觸的部件，都采用不銹鋼材料制成。

1 課題來源

我公司承接了首臺(tái)AP1000正常余熱排出熱交換器的訂單，眾所周知，在熱交換器的制造中，管子管板的焊接技術(shù)尤為重要。現(xiàn)針對核級熱交換器中小口徑管子管板的焊接要求，研制了填絲自動(dòng)焊等設(shè)備，制定了比較成熟的焊接工藝，也適用于其它換熱器的管子管板焊接。

2 設(shè)備選型及試焊

AP1000正常余熱排出熱交換器中換熱管的規(guī)格為?19.05mm×1.24mm，由于換熱管的管壁較厚，且排列緊密，以往管子管板焊接常采用手工加絲鎢極氬弧焊。焊接時(shí)，由于管口直徑小且要填加焊絲，故對焊工的技能要求較高。采用手工焊接時(shí)，焊縫的成形不會(huì)很規(guī)則，焊后的管口還有縮口現(xiàn)象，且縮口量參差不齊，很多管口需校正后才能插入脹管器，不僅增加了工作量，還直接影響了下道脹管工序的加工質(zhì)量。

經(jīng)過多次設(shè)備選型、調(diào)研、改進(jìn)和試焊工作，確定了光感中心定位小口徑管子與管板焊接專用設(shè)備，解決了以往靠導(dǎo)向芯棒中心定位帶來的焊接方面問題。通過大量試驗(yàn)及試樣解剖后的情況分析，確定了合適的焊接工藝參數(shù)，并完成了焊接工藝評定。通過對產(chǎn)品試樣的焊接試驗(yàn)，提高了管子管板的焊接質(zhì)量，減少了管口的縮口量，縮短了產(chǎn)品制造周期，并降低了焊工的勞動(dòng)強(qiáng)度。

3 具有定位顯示的自動(dòng)焊機(jī)

3.1 設(shè)備組成及特點(diǎn)

管子管板焊接設(shè)備由脈沖焊接電源、臥式機(jī)架、攝像槍頭及其他配件（焊槍遙控器、攝像頭控制箱）等部分組成。設(shè)備的組成及結(jié)構(gòu)名稱，如圖1所示。在這套焊接設(shè)備中，焊槍不需要有定位芯棒，利用光感定位后，焊槍圍繞虛擬圓心進(jìn)行管子管板焊接，可選擇繞圓心焊或過圓心焊。通過設(shè)定焊槍頭的不同位置，完成特定口徑的管子管板焊接。

圖1 管子管板焊接設(shè)備

（1）焊接電源

電源設(shè)備的焊接電流為230A、輸入電壓為380V，內(nèi)置式循環(huán)水冷，可輸出高分辨率直流脈沖電流，具有電流漸變及弧長跟蹤控制，恒速或脈動(dòng)行走及送絲控制，并可預(yù)編分段焊接參數(shù)，最大可分區(qū)間為32個(gè)，可儲(chǔ)存100個(gè)焊接程序，并帶有程序防更改的加鎖功能。

（2）臥式機(jī)架

通過電動(dòng)或手動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)架上焊槍在X、Y、Z軸的位置。焊槍在X、Y軸上的有效行程為1 000mm×500mm；配置了電纜管、冷卻水管及保護(hù)氣管；在臥式機(jī)架底部，有4個(gè)可調(diào)節(jié)高度的螺栓。

（3）焊槍及攝像槍頭

自帶利用光感定位的可變焦（6～25）攝像頭，可焊接直徑10～30mm換熱管管口。焊槍的最小旋轉(zhuǎn)半徑為50mm，具有360°旋轉(zhuǎn)功能，帶有可旋轉(zhuǎn)的自動(dòng)送絲機(jī)構(gòu)。

（4）焊槍還配置了遙控器，可設(shè)定起弧點(diǎn)。在攝像頭的控制箱面板上，集成了焊槍及攝像頭的操作鍵盤。

3.2 攝像定位的原理

通過焊槍上的攝像頭捕捉到的圓形管孔形狀，在焦距正確的情況下，影像與CCD靶面上的圓形圖形相吻合，然后以CCD圓形的中心為半徑點(diǎn)，焊槍圍繞此虛擬圓心旋轉(zhuǎn)并進(jìn)行焊接。攝像機(jī)與CCD靶面的相對位置，如圖2所示。模擬成像的過程，如圖3所示。

圖3 模擬成像的過程

根據(jù)初步試驗(yàn)，基本掌握了攝像頭定位的特點(diǎn)，由于該設(shè)備的定位方式不同于傳統(tǒng)的管子管板焊機(jī)，傳統(tǒng)管子管板焊機(jī)是將芯棒插入管孔，以芯棒作為定位中心，焊槍圍繞芯棒旋轉(zhuǎn)并進(jìn)行焊接，而新設(shè)備是用攝像頭捕捉并存儲(chǔ)管孔形狀的圓心，再圍繞虛擬圓心旋轉(zhuǎn)并進(jìn)行焊接。焊槍可選擇繞圓心或過圓心的旋轉(zhuǎn)方式，焊槍的2種焊接形式，如圖4所示。在初步試驗(yàn)中，采用過圓心和繞圓心的焊接方式，對2組試樣進(jìn)行了焊接。焊后，對試樣進(jìn)行了解剖，發(fā)現(xiàn)采用過圓心的焊接方式，焊縫根部的熔透情況很好，管口的縮口量也小。經(jīng)分析，采用過圓心方式焊接時(shí)，由于焊接電弧吹向管板坡口，使管板坡口上的熔敷金屬較多，而采用繞圓心的焊接方式時(shí)，則熔敷金屬容易流入管口內(nèi)側(cè)，造成管口的縮口量較大，特別是進(jìn)行第二道填絲焊時(shí)，管口的縮口情況尤為明顯。因此，隨后的試樣焊接將采用過圓心的焊接方式。

圖4 焊槍的2種焊接形式

4 產(chǎn)品應(yīng)用

在AP1000正常余熱排出熱交換器中，換熱管的材料采用SA－182F316L，管板材料為SA－213 TP304L。換熱管材料的化學(xué)成分，如表1所示。管板材料的化學(xué)成分，如表2所示。采用的焊接材料為：焊絲選用ER316L，直徑為0.8mm。焊絲的化學(xué)成分，如表3所示。管子管板的結(jié)構(gòu)形式，如圖4所示。在管子管板焊接時(shí)，第一道熔化焊配合低弧壓，可使管板倒角處與管子之間的根部焊縫充分焊透，第二道配合相對較高的弧壓，可方便填絲焊并堆高焊縫高度，如圖5中詳圖所示。在選擇電流大小時(shí)，考慮到焊接熱輸入對接頭溫度的漸變影響，在園周上分3段（等分360度），將電流從高到低進(jìn)行漸變。管子管板的焊接參數(shù)，如表4所示。

表1 換熱管材料的化學(xué)成分 （%）

表2 管板材料的化學(xué)成分 （%）

表3 焊絲的化學(xué)成分 （%）

圖5 管子管板的結(jié)構(gòu)形式

表4 管子管板的焊接參數(shù)

選擇管子伸出管板的合理尺寸，設(shè)置正確的鎢極與管口的相對位置（起弧點(diǎn)設(shè)置），對接頭根部的焊透效果和控制縮口量尤為重要。管子伸出管板坡口根部0.3～0.8mm為最佳，若此數(shù)值≥1mm或≤0.2mm則可能導(dǎo)致未焊透或焊接高度不夠。

通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，管子管板自動(dòng)焊要優(yōu)于手工鎢極氬弧焊。自動(dòng)焊接的焊縫成形及焊接質(zhì)量較穩(wěn)定，管口的縮口量也得到了控制。而且，在排列緊密的核級熱交換管板上，能夠?qū)崿F(xiàn)填絲自動(dòng)焊焊接，不受焊工技能的限制。利用自動(dòng)焊接，不僅可提高焊縫質(zhì)量，還降低了焊工的勞動(dòng)強(qiáng)度。自動(dòng)焊的管口縮口量比手工鎢極氬弧焊的縮口量小，所以，在管子脹接前，無需對大多數(shù)管口進(jìn)行校正，縮短了加工周期，提高了生產(chǎn)率。

5 結(jié) 語

經(jīng)過前期試驗(yàn)，并對模擬試件進(jìn)行了焊接，掌握了?19.05mm×1.24mm管子與管板自動(dòng)焊的操作特點(diǎn)，確定了焊接工藝參數(shù)。通過對焊接接頭的無損檢測和各項(xiàng)理化性能試驗(yàn)，測試結(jié)果均能滿足AP1000正常余熱排出熱交換器技術(shù)規(guī)格書中的要求。這種焊接方式，在產(chǎn)品制造中得到了應(yīng)用，產(chǎn)品也順利地通過了水壓試驗(yàn)。