呂旭偉 朱德才 譚文良 馬力川 康澤壇

摘要：針對(duì)我國(guó)在核電廠建設(shè)中壁厚小于等于3 mm小管的焊接現(xiàn)狀，通過(guò)前期的市場(chǎng)調(diào)研、設(shè)備選型和工藝開發(fā)等過(guò)程，研究出一套用于現(xiàn)場(chǎng)薄壁小管焊接的成熟的封閉式自熔焊方法，可替代傳統(tǒng)的手工焊接方法，有效地節(jié)約成本、保證焊接質(zhì)量、提高施工效率，為核電廠小管自熔焊的推廣應(yīng)用提供參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：核電站;管道;自熔焊;設(shè)備選型;焊接工藝

中圖分類號(hào)：TG47 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1001-2303（2020）08-0067-04

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.08.14

0 前言

封閉式自熔焊工藝是指在焊接過(guò)程中不添加焊絲而利用焊接熱量直接熔化金屬，使金屬實(shí)現(xiàn)良好成形的焊接工藝。此工藝主要應(yīng)用在小管徑薄壁管中，例如儀表管的對(duì)接焊。核電站此類管道數(shù)量多、施工周期短、施工難度大，焊接方法以傳統(tǒng)的手工焊為主。為減少焊接過(guò)程中人因因素，減輕焊工勞動(dòng)強(qiáng)度，提高焊接質(zhì)量，文中針對(duì)壁厚小于等于3 mm的小管進(jìn)行封閉式自熔焊研究，從設(shè)備選型、工藝開發(fā)、現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用等方面進(jìn)行分析，以期替代傳統(tǒng)手工焊技術(shù)，減輕焊工勞動(dòng)強(qiáng)度，提高焊接質(zhì)量穩(wěn)定性，打造我國(guó)核電產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)新優(yōu)勢(shì)。

1 自動(dòng)焊設(shè)備選型

針對(duì)我國(guó)在核電廠建設(shè)中壁厚小于等于3 mm小管的焊接現(xiàn)狀，通過(guò)設(shè)備制造或購(gòu)買，對(duì)自動(dòng)焊接技術(shù)所需的成套設(shè)備、配套工裝及焊接質(zhì)量等進(jìn)行研究應(yīng)用，并結(jié)合各類小管的焊接試驗(yàn)結(jié)果可知，對(duì)于薄壁可用自熔焊技術(shù)的管道，其焊接電流一般不超過(guò)120 A，可選用較為輕便的電源，便于現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。最終確認(rèn)采購(gòu)Migatronic焊機(jī)廠家生產(chǎn)的電源以及自主研發(fā)的控制器系統(tǒng)等進(jìn)行工藝開發(fā)[1]，焊機(jī)設(shè)備如圖1所示。

機(jī)頭選用封閉式的自熔機(jī)頭進(jìn)行焊接，如圖2所示;相關(guān)參數(shù)如表1所示。

2 工藝開發(fā)

2.1 材料選擇

根據(jù)核電廠小管的特點(diǎn)，以及實(shí)際焊接試驗(yàn)情況，小管自熔焊工藝開發(fā)定位管徑≤50 mm，壁厚≤3 mm，梳理出的部分管道清單如表2所示。

2.2 焊接工藝

針對(duì)自熔焊的特點(diǎn)，管道封閉式自熔焊的坡口形式為“I”型坡口，通過(guò)焊檢尺測(cè)量小管徑外表面的方法，使其組對(duì)間隙≤0.5 mm，錯(cuò)邊量≤0.5 mm;如圖3所示，采用對(duì)接焊方法進(jìn)行焊接。

自熔焊工藝參數(shù)主要包括焊接電流、電壓、焊接轉(zhuǎn)速、頻率和占空比等：影響焊接電流的主要因素包括材料種類、管道外徑、壁厚、管水平固定對(duì)接和垂直固定對(duì)接等;焊接轉(zhuǎn)速主要與管道規(guī)格相關(guān)。焊接參數(shù)分段設(shè)置與管徑大小相關(guān)，管道外徑越大，劃分段數(shù)越多，每圈劃分段焊接電流按照3～5 A依次降低，影響轉(zhuǎn)速的主要因素是管外徑，焊接電流應(yīng)與轉(zhuǎn)速匹配[2]。

（1）起弧位置。通過(guò)大量的試驗(yàn)得出小管水平固定對(duì)接位置焊接時(shí)應(yīng)在順時(shí)針10～11點(diǎn)進(jìn)行起弧;小管垂直固定對(duì)接位置焊接時(shí)應(yīng)將鎢極位于焊縫中心偏上0.5～1 mm。

（2）鎢極高度。試驗(yàn)表明，鎢極高度偏大，易產(chǎn)生根部未熔合;鎢極高度偏小，其焊接電弧的熱量不足，根部也易產(chǎn)生未熔合。通過(guò)大量試驗(yàn)得出鎢極高度的最優(yōu)間隙為1.2～1.5 mm。

（3）保護(hù)氣。主要是通過(guò)增加電弧挺度、增加焊縫寬度、減小表面凹陷深度等方面進(jìn)行調(diào)節(jié)選擇，最終選用流量為12 L/min的99.99%的純氬[3]。

（4）背面保護(hù)。通過(guò)對(duì)比分析，內(nèi)部充氬對(duì)改善根部焊縫成形和避免凹坑缺陷的效果明顯，且背面焊道表面干凈，無(wú)表面氧化渣，如圖4所示。

經(jīng)過(guò)大量的焊接試驗(yàn)，最終開發(fā)完成了多種規(guī)格的自熔焊工藝，焊縫效果如圖5所示。

2.3 檢測(cè)驗(yàn)證

射線檢測(cè)是驗(yàn)證焊縫內(nèi)部質(zhì)量的關(guān)鍵手段，為更好地驗(yàn)證工藝的可靠性及穩(wěn)定性，通過(guò)射線檢測(cè)以確保小管的質(zhì)量，結(jié)果均為合格。

理化檢驗(yàn)是驗(yàn)證焊接接頭組織及力學(xué)性能的關(guān)鍵手段[4]，針對(duì)已經(jīng)固化的小管自動(dòng)焊焊接接頭，其理化及力學(xué)性能試驗(yàn)需均滿足RCCM2007版標(biāo)準(zhǔn)的要求。以材質(zhì)Z2CN18.10，規(guī)格φ13.7×2.24 mm不銹鋼管為例，試驗(yàn)項(xiàng)目取樣如圖6所示。

力學(xué)性能試驗(yàn)包括橫向拉伸和彎曲試驗(yàn)，經(jīng)檢驗(yàn)拉伸試樣抗拉強(qiáng)度大于母材規(guī)定的抗拉強(qiáng)度最小值490 MPa，試驗(yàn)結(jié)果合格。彎曲試樣需進(jìn)行面彎和背彎，經(jīng)檢驗(yàn)彎曲角度為180°后無(wú)任何缺陷顯示，試驗(yàn)結(jié)果合格[5]，具體數(shù)值如表3、表4所示。

金相試驗(yàn)包括宏觀和微觀金相，采用10倍放大鏡對(duì)焊縫橫截面作宏觀金相檢查，未發(fā)現(xiàn)裂紋、未熔合、未焊透、夾渣、氣孔等低倍焊接缺陷，結(jié)果合格，如圖7所示。

采用200×的放大倍數(shù)對(duì)試樣進(jìn)行微觀金相檢驗(yàn)，結(jié)果金相組織為珠光體+鐵素體+貝氏體，均未發(fā)現(xiàn)顯微裂紋及其他異常組織，結(jié)果合格，如圖8所示。

化學(xué)分析需按照標(biāo)準(zhǔn)對(duì)熔覆金屬內(nèi)的各元素進(jìn)行分析，結(jié)果合格，如表5所示。

3 工程應(yīng)用

依據(jù)開發(fā)完成的小管自熔焊工藝，在CPR1000核電機(jī)組上挑選出可焊焊口進(jìn)行焊接，如圖9所示。小管自動(dòng)焊技術(shù)實(shí)現(xiàn)了焊縫一次成形，具有工藝控制精度高，焊接質(zhì)量穩(wěn)定、焊縫成形好、焊接效率高等特點(diǎn)。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)核電廠薄壁小管的封閉式自熔焊的工藝研究，以及現(xiàn)場(chǎng)封閉式小管自熔焊的成功實(shí)施，得出以下結(jié)論：

（1）封閉式自熔焊焊接采用不填絲TIG全位置自動(dòng)焊，無(wú)需填充材料，減少了焊絲采購(gòu)及復(fù)驗(yàn)環(huán)節(jié)，節(jié)約了成本。同時(shí)擺脫對(duì)焊工技能的依賴，其焊接質(zhì)量和效率主要依靠先進(jìn)的設(shè)備和成熟的焊接工藝，降低勞動(dòng)強(qiáng)度、保證焊接質(zhì)量、提高施工效率。

（2）通過(guò)對(duì)小管封閉式自熔焊的研究分析，總結(jié)了此類工藝焊接的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，為后續(xù)核電站小管自熔焊的推廣應(yīng)用提供了參考和借鑒。

參考文獻(xiàn)：

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[3] 馮英超. 臺(tái)山EPR核電站核島安裝工程小管預(yù)制自動(dòng)焊應(yīng)用技術(shù)研究[J]. 電焊機(jī)，2010，40（8）：35-39.

[4] 劉鳴放. 金屬材料力學(xué)性能手冊(cè)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

[5] RCCM 2007版S篇，壓水堆核島機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)和建造規(guī)則[S].

收稿日期：2020-04-21

作者簡(jiǎn)介：呂旭偉（1985— ），男，學(xué)士，高級(jí)工程師，主要從事管道窄間隙焊接技術(shù)的研發(fā)以及管道焊接的監(jiān)控管理。E-mail：mumulxw0512@163.com。