林磉熙，王浩政，王征，徐忠峰，楊佳

1.中核檢修有限公司海鹽分公司 浙江嘉興 314000

2.中國(guó)核工業(yè)二三建設(shè)有限公司 北京 101300

3.蘇州熱工研究院有限公司 江蘇蘇州 215004

1 序言

隨著我國(guó)核電機(jī)組建設(shè)的重啟，工程建設(shè)單位面臨著大量的安裝任務(wù)和更高的安裝標(biāo)準(zhǔn)。核電建設(shè)階段，核安全、質(zhì)量為一切生產(chǎn)活動(dòng)的前提，尤其是焊接質(zhì)量決定著整個(gè)機(jī)組的運(yùn)行安全和使用壽命。目前，國(guó)內(nèi)除了核電主管道全部采用了窄間隙自動(dòng)氬弧焊工藝外[1-3]，其他管道、儲(chǔ)罐、水池等設(shè)備的安裝所采用的焊接工藝仍為手工焊或半自動(dòng)焊。

氬弧焊（TIG）具有保護(hù)效果好、飛濺小、電弧穩(wěn)定、成形美觀及性能優(yōu)良等特點(diǎn)，尤其是焊接熱輸入可以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制，因而在核電中小管道焊接中得到了普遍的應(yīng)用。脈沖TIG焊通過(guò)控制峰值電流、基值電流、峰值送絲速度、基值送絲速度、峰值行走速度與基值行走速度等焊接參數(shù)，不僅可以實(shí)現(xiàn)管道的全位置焊接、焊縫高熔深，而且可以有效解決根部全焊透問(wèn)題[4]。

隨著自動(dòng)焊控制技術(shù)的發(fā)展和自動(dòng)焊設(shè)備適應(yīng)性的提高，脈沖TIG自動(dòng)焊技術(shù)在核電安裝階段有一定的應(yīng)用[5，6]，但是，在核電建設(shè)階段，由于被焊管件不能隨意轉(zhuǎn)動(dòng)，焊接設(shè)備需要完成向下立焊、仰焊、向上立焊及平焊全位置的焊接；同時(shí)，由于空間位置的限制和對(duì)口精度的制約，導(dǎo)致焊接設(shè)備不便安裝或焊接成形不佳，影響了自動(dòng)焊技術(shù)在現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用。

為了有效降低高水平焊工需求量、工程建設(shè)成本，提高建造質(zhì)量、施工效率，緩解國(guó)內(nèi)核電站批量化建設(shè)過(guò)程中工期壓力等問(wèn)題，本文重點(diǎn)從坡口形式、鎢極-焊絲位置關(guān)系、組對(duì)要求、焊道布置及焊接參數(shù)等方面，對(duì)核電站小管脈沖TIG全位置自動(dòng)焊工藝和性能進(jìn)行了研究，為我國(guó)在建改進(jìn)型百萬(wàn)千瓦級(jí)核電站焊接質(zhì)量的進(jìn)一步提高，焊接工期進(jìn)一步壓縮，以及核電建造成本的進(jìn)一步降低起到積極貢獻(xiàn)。

2 試驗(yàn)方法

2.1 試驗(yàn)設(shè)備

核電小管自動(dòng)焊設(shè)備選用蘇州熱工研究院公司生產(chǎn)的MODEL B全位置脈沖TIG自動(dòng)管焊機(jī)，焊接機(jī)頭為卡夾式，徑向尺寸小于60mm，特別適合狹窄空間的焊接。通過(guò)安裝不同規(guī)格的軌道，可以焊接0.5～14in（1in=25.4mm）的管道。主控制器采用MODEL X控制器，具有遠(yuǎn)程可視、脈沖送絲、脈沖行走、弧壓反饋、非正常焊接自動(dòng)熄弧控制等功能，具有安裝簡(jiǎn)單、過(guò)程可控、適用多位置焊接等優(yōu)點(diǎn)。

焊接電源采用逆變脈沖（方波）直流電源，額定電流250A。一方面，可通過(guò)MODEL X控制系統(tǒng)對(duì)電流信號(hào)進(jìn)行全面接管，實(shí)現(xiàn)焊接運(yùn)動(dòng)與焊接電弧輸出的脈沖同步一致，以實(shí)現(xiàn)焊接參數(shù)的輸出控制；另一方面，在特殊焊接應(yīng)用環(huán)境下，能夠?qū)崿F(xiàn)高頻（≥25kHz）及高電弧挺度功能。此外，還可由焊接電源一元化參數(shù)控制功能，與機(jī)頭運(yùn)動(dòng)功能進(jìn)行配合使用。

2.2 試驗(yàn)材料

采用A312 TP316L超低碳不銹鋼管作為試驗(yàn)材料，規(guī)格為φ33.4mm×6.35mm、長(zhǎng)度分別為150mm的兩段管材，化學(xué)成分見(jiàn)表1。根據(jù)母材的力學(xué)性能，選擇相應(yīng)強(qiáng)度級(jí)別的焊接材料，以保證焊縫金屬?gòu)?qiáng)度、塑性和韌性等力學(xué)性能與母材的匹配，保證結(jié)構(gòu)使用性能的要求。焊接材料選用AWS A5.9，ER316L，φ1.0mm，質(zhì)量規(guī)格為1kg的盤(pán)裝焊絲，焊絲的化學(xué)成分見(jiàn)表2。

表1 A312 TP316L不銹鋼化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）（%）

表2 ER316L焊絲化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

2.3 坡口形式

對(duì)接焊坡口為帶鈍邊的V形坡口，采用車(chē)床或?qū)Ｓ闷驴跈C(jī)進(jìn)行加工。加工表面不得有裂紋、分層、夾渣等缺陷，打磨坡口及兩側(cè)直至露出金屬光澤（焊縫打磨時(shí)要采用不銹鋼專(zhuān)用拋光輪），對(duì)坡口表面的凹坑和劃痕等不規(guī)則處必須打磨并圓滑過(guò)渡，在坡口組對(duì)前對(duì)坡口加工尺寸和表面進(jìn)行100%PT檢測(cè)，I級(jí)合格，合格后方可進(jìn)行組對(duì)。PT檢測(cè)按照RCC-M第Ⅲ卷MC4000的要求進(jìn)行。

坡口形式如圖1所示，其中，鈍邊長(zhǎng)度a=1.6～2.0mm，鈍邊厚度b=0.9～1.2mm，單邊坡口角度θ=12°～18°，間隙為0mm。

四是組織實(shí)施《全國(guó)抗旱規(guī)劃》?！度珖?guó)抗旱規(guī)劃實(shí)施方案》已上報(bào)國(guó)務(wù)院，批復(fù)后將盡快組織實(shí)施。重點(diǎn)加強(qiáng)小型水庫(kù)工程、引調(diào)提水工程、抗旱應(yīng)急備用井等抗旱應(yīng)急水源工程建設(shè)，確保旱區(qū)居民基本生活用水，保障基本口糧田作物生長(zhǎng)關(guān)鍵期的用水需求。在有條件的地區(qū)，大力推進(jìn)抗旱重大骨干水源工程建設(shè)，逐步完善抗旱供水保障體系。

圖1 管道坡口形式

2.4 焊接參數(shù)

焊接方法采用全位置脈沖TIG焊，焊縫位置為5G，焊道布置如圖2所示，焊道1為根部焊道，焊道2、焊道3為填充焊道，焊道4為蓋面焊道。應(yīng)按照焊接工藝規(guī)程要求對(duì)管道進(jìn)行組對(duì)和焊接，試件焊接參數(shù)見(jiàn)表3。試件焊接過(guò)程中管道內(nèi)部需進(jìn)行充氬氣保護(hù)，同時(shí)對(duì)焊接層間和表面進(jìn)行清理。氬氣純度為99.99%，正面流量為8～12L/min，背面流量為10～15L/min；層間溫度控制在150℃以下。

焊接完成后，對(duì)接頭進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)、熔敷金屬化學(xué)成分分析、宏觀與微觀組織觀察、室溫拉伸試驗(yàn)以及彎曲性能試驗(yàn)。

2.5 焊接工藝要點(diǎn)

鎢極夾角、鎢極-焊絲夾角、鎢極-焊絲距離及與管子的偏移距離等參數(shù)，直接關(guān)系到焊接過(guò)程的穩(wěn)定、焊縫成形和焊接質(zhì)量，因此合理調(diào)節(jié)這些參數(shù)是獲得滿意焊接質(zhì)量的重要保證，各參數(shù)如圖3所示。

表3 焊接參數(shù)

圖3 鎢極-焊絲之間的位置

通過(guò)試驗(yàn)確定以下參數(shù)：

1）α1=5°～25°，管件越薄，后傾角越大越好。

2）S1值未作特殊要求，只需保證惰性氣體保護(hù)效果即可。若管件壁厚較大，鎢針需要深入工件，噴嘴端部到管件2～5mm，以保證氣體的保護(hù)效果。

4）S3=10～15mm。焊前，手動(dòng)送絲到鎢極正下方，焊絲端部距鎢極端約2mm，然后抽回到焊絲嘴處。

5）S4與α2數(shù)值只是一個(gè)參考量。實(shí)際焊接時(shí)，焊絲端部應(yīng)進(jìn)入到熔池前部后進(jìn)行熔化，因此，焊前S4與α2可以不設(shè)定，只需滿足前述要求即可。應(yīng)保證焊絲在送入熔池后熔化，觀察熔敷金屬量，不足時(shí)應(yīng)加大送絲速度，反之，應(yīng)減小送絲速度。

6）焊接過(guò)程中觀察熔池長(zhǎng)度、形狀、弧光強(qiáng)度等，一般以熔池前段成橢圓形、綠光較為合適。熔池過(guò)大、過(guò)長(zhǎng)時(shí)應(yīng)減小焊接電流，反之，則增大焊接電流。

3 試驗(yàn)結(jié)果

（1）無(wú)損檢測(cè) 按照RCC-M第Ⅲ卷MC7100規(guī)定進(jìn)行目視檢測(cè)；焊縫表面檢查合格后，按照RCC-M第Ⅲ卷MC4000規(guī)定對(duì)焊縫進(jìn)行PT檢測(cè)。滲透檢測(cè)合格后，按RCC-M第Ⅲ卷MC3300的規(guī)定對(duì)焊縫進(jìn)行射線檢測(cè)。

目視檢查未發(fā)現(xiàn)焊縫有裂紋、未熔合、未焊透、焊瘤、咬邊、未填滿的弧坑、內(nèi)側(cè)焊縫內(nèi)凹、表面氣孔和夾渣等缺陷。滲透檢測(cè)和射線檢測(cè)都為I級(jí)合格。

（2）化學(xué)成分分析 按照RCC-M對(duì)熔敷金屬進(jìn)行化學(xué)成分測(cè)試，見(jiàn)表4，熔敷金屬各元素成分滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

表4 熔敷金屬化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

（3）焊接接頭微觀組織 按照標(biāo)準(zhǔn)NF-05-150和RCC-M MC1320進(jìn)行取樣，浸蝕劑使用“王水”；在顯微鏡下觀察焊縫根部區(qū)域、熔敷金屬中心區(qū)域、熔合線、宏觀檢測(cè)顯示的可疑區(qū)，保證無(wú)顯微裂紋和影響接頭性能的析出相。

宏觀檢測(cè)未發(fā)現(xiàn)焊縫未熔合、未焊透、裂紋等缺陷，成形良好，各區(qū)域均未發(fā)現(xiàn)顯微裂紋及異常組織。圖4為焊縫微觀組織，基體為奧氏體，條狀為鐵素體，柱狀晶方向性非常明顯，顯示出焊縫組織結(jié)晶存在非常明顯的方向性。圖5為焊接接頭熔合線附近的微觀組織，焊縫、熔合線、熱影響區(qū)和母材連續(xù)排布，為一個(gè)完整、連續(xù)的組織形貌。熔合線清晰可見(jiàn)，附近熱影響區(qū)晶粒未粗化，整個(gè)熔合線附近的母材晶粒沒(méi)有顯著長(zhǎng)大，熱影響區(qū)也并不明顯。圖6為管子母材微觀組織，基體為孿晶奧氏體和少量鐵素體。

圖4 焊縫微觀組織

圖5 焊接接頭熔合線附近組織

圖6 母材微觀組織

（4）室溫拉伸 按照標(biāo)準(zhǔn)NF EN 10002-1進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)，取樣位置分別位于管道0°、90°、180°和270°；從表5可以看出，拉伸斷裂位置均位于母材，全位置脈沖TIG焊焊接接頭室溫下金屬力學(xué)性能優(yōu)異，遠(yuǎn)高于RCC-M（2007）要求值。

表5 焊接接頭拉伸性能

（5）彎曲試驗(yàn) 按照標(biāo)準(zhǔn)NF EN 910進(jìn)行彎曲試驗(yàn)，驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)：RCC-M（2007），壓軸直徑為4a，支撐間距6.2a，彎曲角度為180°。標(biāo)準(zhǔn)要求反彈后彎曲角度≥120°，試驗(yàn)結(jié)果要求沒(méi)有明顯的開(kāi)裂，單個(gè)裂紋、表面氣孔和夾渣長(zhǎng)度≤3 mm。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6，試樣面彎、背彎結(jié)果全部合格。

表6 焊接接頭彎曲試驗(yàn)

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)采用全位置脈沖TIG自動(dòng)焊工藝，對(duì)規(guī)格為φ33.4mm×6.35mm的A312 TP316L超低碳不銹鋼管進(jìn)行焊接，試驗(yàn)結(jié)果表明：

1）核電站小管全位置脈沖TIG自動(dòng)焊工藝采用帶鈍邊V形坡口結(jié)構(gòu)，以及調(diào)整鎢極-焊絲之間的相對(duì)距離，可以保證高質(zhì)量的焊接，尤其是焊縫根部焊縫成形；無(wú)損檢測(cè)表明，焊縫沒(méi)有發(fā)現(xiàn)未熔合、未焊透、裂紋等缺陷，成形良好，各區(qū)域均未發(fā)現(xiàn)顯微裂紋及異常組織。

2）熔敷金屬各元素成分滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。焊縫微觀組織的基體為奧氏體，條狀為鐵素體，柱狀晶方向性非常明顯，顯示出焊縫組織結(jié)構(gòu)存在非常明顯的方向性。熔合線清晰可見(jiàn)，附近熱影響區(qū)晶粒未粗化，整個(gè)熔合線附近的母材晶粒沒(méi)有顯著長(zhǎng)大，熱影響區(qū)也并不明顯。

3）室溫拉伸試驗(yàn)表明，拉伸斷裂位置均位于母材，全位置脈沖TIG自動(dòng)焊焊接接頭室溫下金屬力學(xué)性能優(yōu)異，抗拉強(qiáng)度平均值達(dá)573MPa，遠(yuǎn)高于RCC-M（2007）要求值。

4）彎曲試驗(yàn)表明，試樣在任何方向未出現(xiàn)大于3mm的單個(gè)缺陷，試樣彎曲結(jié)果全部合格。