馬迎兵，李哲

中國核電工程有限公司 北京 100840

1 序言

近年來，隨著我國在建核電項(xiàng)目的增加，核電現(xiàn)場的焊接量也大幅增加，在焊接施工過程中，如何在保證焊接質(zhì)量的前提下提高焊接效率，是核電站各建設(shè)單位的重點(diǎn)關(guān)注方向。據(jù)了解，核電現(xiàn)場的結(jié)構(gòu)類焊縫主要以焊條電弧焊為主，焊接效率低，且連續(xù)施焊也對焊工有更高的要求。

藥芯焊絲電弧焊（以下簡稱“FCAW”）具有成形好、焊接效率高等優(yōu)點(diǎn)，作為一種高效的焊接方法，已在石油、造船等行業(yè)有了一定范圍的應(yīng)用，如果能在核電工程中進(jìn)行推廣應(yīng)用，將會大幅提高焊接生產(chǎn)效率。但由于核電行業(yè)的特殊性，尤其是在日本福島事件發(fā)生后，核電安全被提到了前所未有的高度，如何保證核電安全是各方考慮的頭等大事。

FCAW在核電工程的應(yīng)用較為有限，目前主要用于預(yù)埋件、次要鋼結(jié)構(gòu)等非重要焊縫的焊接，若要應(yīng)用于核級管道、運(yùn)輸容器、主要鋼結(jié)構(gòu)等重要設(shè)備，還需在多個方面做進(jìn)一步研究。本文通過對FCAW特點(diǎn)和在核電應(yīng)用的分析，探討FCAW在核電工程中的注意事項(xiàng)及應(yīng)用前景。

2 FCAW的特點(diǎn)

FCAW是以可熔化的藥芯焊絲作為一個電極，母材作為另一極，通常采用純CO2或CO2+Ar氣作為保護(hù)氣體，焊接時在電弧的熱作用下熔化狀態(tài)的焊絲金屬+焊劑、母材金屬和保護(hù)氣體相互之間發(fā)生冶金作用，同時形成一層較薄的液態(tài)熔渣包覆熔滴并覆蓋熔池，對熔化金屬形成了又一層的保護(hù)。

與普通熔化極氣體保護(hù)焊相比，F(xiàn)CAW具有以下特點(diǎn)：

（1）優(yōu)點(diǎn) 采用氣渣聯(lián)合保護(hù)，焊縫成形美觀，電弧穩(wěn)定性好，飛濺少且顆粒細(xì)小；焊絲熔敷速度快，熔敷效率（85%~90%）和生產(chǎn)率都較高（比焊條電弧焊高3~5倍）。

焊接各種鋼材的適應(yīng)性強(qiáng)，通過調(diào)整焊劑的成分與比例，可提供所要求的焊縫金屬化學(xué)成分；焊接效率高（對比焊條），適用于自動焊接、半自動焊接；焊接利用率高（對比焊條），焊絲利用率遠(yuǎn)超焊條，同樣重量下焊絲比焊條性價比更高。

（2）缺點(diǎn) 焊絲制造過程復(fù)雜；焊絲外表容易銹蝕，焊劑混合物易吸潮，因此需要對焊絲的保存嚴(yán)加管理。

3 核電主要標(biāo)準(zhǔn)

（1）RCC-M 在制造篇中限制FCAW為半自動焊，且主要用于碳素鋼鑄件的補(bǔ)焊；在支承件H篇和小型設(shè)備E篇中允許使用藥芯焊絲，并規(guī)定了組批原則和驗(yàn)收試驗(yàn)要求。另外，強(qiáng)調(diào)對于奧氏體不銹鋼焊絲，需增加進(jìn)行鐵素體含量測定。

（2）ASME 基本未對FCAW進(jìn)行限制，只是在QW-409.2中，限制了FCAW的過渡模式，即從噴射過渡、顆粒過渡或者脈沖過渡改變?yōu)槎搪愤^渡；反之，需要重新評定焊接工藝。

在材料篇的SFA5.20、SFA5.29、SFA5.36分別詳細(xì)規(guī)定了碳素鋼藥芯焊絲和低合金鋼藥芯焊絲的各項(xiàng)性能，包括化學(xué)成分、力學(xué)性能等詳細(xì)數(shù)據(jù)。其中，在SFA5.36中表6中提到，如果化學(xué)成分中添加硼元素或wB超過0.001%必須報(bào)告。

（3）NB/T 47018—2017 在NB/T 47018—2017標(biāo)準(zhǔn)中，規(guī)定碳素鋼和低合金鋼藥芯焊絲應(yīng)為堿性渣系；并規(guī)定在訂貨合同中需包含保證藥芯成分、藥芯填充均勻性的具體內(nèi)容和檢驗(yàn)方法，以及打開真空包裝后的藥芯焊絲保證熔敷金屬擴(kuò)散氫含量的措施。

另外，雖然在NB/T 47015—2011標(biāo)準(zhǔn)正文未采用藥芯焊絲，但在后附編制說明中提到“目前還沒有成熟的適用于鍋爐壓力容器藥芯焊絲渣系，對藥芯粉料的均勻性、熔敷金屬化學(xué)成分、力學(xué)性能的穩(wěn)定性都沒有達(dá)到應(yīng)用于壓力容器焊材的水平”。

（4）GB 50661—2011 本標(biāo)準(zhǔn)未限制FCAW的使用，在常用鋼材的焊接材料推薦表中給出了FCAW的焊絲型號和標(biāo)準(zhǔn)。另外，還規(guī)定了免予評定的焊接方法及施焊位置。

4 核電應(yīng)用現(xiàn)狀及思考

據(jù)筆者了解，目前已在核電工程中應(yīng)用FCAW焊接方法（見表1）的核設(shè)備包括次要鋼結(jié)構(gòu)、預(yù)埋件、LX抗甩擊、鋼襯里背肋角鋼等，母材材質(zhì)均為碳素鋼。

表1 核電工程中FCAW的應(yīng)用

從已應(yīng)用的設(shè)備可以看出，核電項(xiàng)目對FCAW的使用是非常謹(jǐn)慎的。通過對現(xiàn)有核電相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和現(xiàn)場應(yīng)用的分析，筆者認(rèn)為，主要有以下幾個方面需要考慮或改進(jìn)。

（1）藥芯焊絲的生產(chǎn)過程 藥芯焊絲與實(shí)芯焊絲相比，主要區(qū)別在于藥芯焊絲內(nèi)部裝有焊劑混合物，而焊劑混合物在焊絲生產(chǎn)過程中能否做到均勻一致，對于焊絲使用的穩(wěn)定性影響很大，這對生產(chǎn)焊絲的設(shè)備要求較高，不但要保證填焊劑的穩(wěn)定性，還需要在填加過程中能夠根據(jù)焊劑混合物的密度進(jìn)行及時調(diào)整，難度較大。這對焊材生產(chǎn)廠家提出了更高的要求，需要在焊絲生產(chǎn)設(shè)備、焊絲焊劑混合物的研發(fā)等方面多下功夫，在焊絲生產(chǎn)過程中多積累數(shù)據(jù)，并加大對焊絲成品的抽檢比例；同時，藥芯焊絲的使用單位也需在焊材生產(chǎn)過程中加強(qiáng)質(zhì)量控制，全程監(jiān)督焊絲的生產(chǎn)過程，保證焊絲的出廠質(zhì)量。

（2）藥芯焊絲的儲存和使用 由于焊接接頭裂紋的產(chǎn)生很大程度上受擴(kuò)散氫的影響，因此目前已在核電工程中應(yīng)用的FCAW方法都是使用的低氫型藥芯焊絲，對熔敷金屬的擴(kuò)散氫含量進(jìn)行嚴(yán)格控制，這也對藥芯焊絲的儲存和使用提出了很高的要求。

首先，藥芯焊絲出廠時需要進(jìn)行真空包裝，焊絲使用單位在焊絲入庫時需確保真空包裝無破損，并制定嚴(yán)格的焊材庫溫濕度要求，確保焊絲的干燥。

其次，藥芯焊絲一旦打開包裝使用，需控制嚴(yán)格的暴露時間，在AWS D1.8－2016中推薦暴露在空氣中的最長時間≤72h；當(dāng)廠家推薦的最長暴露時限超過上述要求時，焊絲生產(chǎn)廠家應(yīng)證明藥芯焊絲暴露在最苛刻的時間、溫度和濕度限值的條件下滿足規(guī)定的擴(kuò)散氫要求值。另外，超出上述時限的藥芯焊絲不允許再次烘干。

（3）藥芯焊絲的硼含量控制 通過文獻(xiàn)[7]對硼含量與裂紋關(guān)系的描述，可以看出硼含量對焊接接頭裂紋的產(chǎn)生有很大影響，因此需要在焊絲生產(chǎn)過程中嚴(yán)格控制微量元素硼的含量；在ASME材料篇的SFA5.36中也指出，如果化學(xué)成分中添加硼元素或wB超過0.001%必須報(bào)告。

（4）焊材生產(chǎn)廠家的重視程度 焊材生產(chǎn)廠家需提高對藥芯焊絲生產(chǎn)過程的重視，體現(xiàn)在生產(chǎn)過程的全流程監(jiān)督和管理，包括原材料的檢測、關(guān)鍵工藝人員的培訓(xùn)、質(zhì)檢人員責(zé)任心的培養(yǎng)等。另外，廠家需對質(zhì)量保證體系重視，建立針對核級焊材的生產(chǎn)質(zhì)保體系文件，并通過不定期的內(nèi)外部質(zhì)保監(jiān)查確保多批次焊絲的質(zhì)量穩(wěn)定性，同時為焊絲使用單位提升信心。

（5）使用單位的人員培訓(xùn) 由于藥芯焊絲的特殊性，需要在儲存和使用過程中嚴(yán)格遵守相關(guān)規(guī)定，如果在使用過程中由于人為的疏忽，可能會造成較為嚴(yán)重的后果，比如焊縫裂紋的產(chǎn)生。因此，對于參與藥芯焊絲儲存、使用的相關(guān)人員的技能和責(zé)任心培訓(xùn)顯得很重要，建議使用單位組織專門的隊(duì)伍，對藥芯焊絲的儲存、焊接工藝評定的制定、焊接實(shí)施過程進(jìn)行全方位培訓(xùn)和監(jiān)督，制定切實(shí)有效的實(shí)施辦法；與此同時，注意積累焊接相關(guān)數(shù)據(jù)，為后續(xù)在更大范圍內(nèi)的使用積累應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。