方一，曾凡勇，肖志威，朱稱(chēng)生，鄭秀華

中國(guó)核工業(yè)第二二建設(shè)有限公司 湖北武漢 430051

1 序言

核能發(fā)展藍(lán)皮書(shū)《中國(guó)核能發(fā)展報(bào)告（2020）》指出，“十四五”期間及中長(zhǎng)期，核電建設(shè)有望按照每年6～8臺(tái)持續(xù)穩(wěn)步推進(jìn)。未來(lái)數(shù)十年，我國(guó)將繼續(xù)大力發(fā)展核電建設(shè)，開(kāi)發(fā)清潔能源，與此同時(shí)，核廢料處理項(xiàng)目也正如火如荼地興建起來(lái)。

中國(guó)核工業(yè)第二二建設(shè)有限公司承建的某乏燃料后處理項(xiàng)目中，需要建造多個(gè)大型不銹鋼襯里房間（見(jiàn)圖1），在不銹鋼襯里房間模塊覆面板（一般尺寸為3mm×3m×6m）上需要焊接大量厚度3mm的不銹鋼隔離墊塊，用以連接覆面板和混凝土墻面碳素鋼角鋼，起到隔離鐵素體污染和連接的作用（見(jiàn)圖2）。墊塊的傳統(tǒng)焊接方式為手工鎢極氬弧焊，以3mm×50mm×50mm的小隔離墊塊為例，每個(gè)小隔離墊塊每條邊均需焊接2～4cm長(zhǎng)的角焊縫，焊腳尺寸2～3mm，每個(gè)墊塊人工焊接時(shí)間約為2min，單個(gè)工人每天焊接量約為240塊。項(xiàng)目一期工程不銹鋼隔離墊塊總量約120萬(wàn)塊，如果安排10名氬弧焊工，需工作16個(gè)月，效率較低。因此，如何提高效率，縮短工期，是我公司在該工程施工中面臨的主要難題。本文提出采用電阻焊方法代替?zhèn)鹘y(tǒng)鎢極氬弧焊，從技術(shù)原理、接頭性能對(duì)比及關(guān)鍵技術(shù)等方面進(jìn)行了分析討論，為電阻焊技術(shù)在不銹鋼隔離墊塊焊接中的應(yīng)用和推廣提供一定借鑒。

圖1 不銹鋼襯里房間典型模型

圖2 不銹鋼覆面板隔離墊塊分布

2 電阻焊技術(shù)

2.1 基本原理

在焊件組合以后，對(duì)焊件施加一定的電極壓力，并通以電流，利用電流流經(jīng)工件與工件之間的接觸面時(shí)產(chǎn)生的電阻熱，將焊件加熱至塑性狀態(tài)或者熔化狀態(tài)，形成熔核，斷電后，熔核及其周?chē)慕饘匍_(kāi)始冷卻結(jié)晶，直至形成焊點(diǎn)。其原理如圖3所示。

圖3 電阻焊原理

電阻焊的優(yōu)點(diǎn)：操作簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化；焊接過(guò)程中不需要焊絲、焊條等填充金屬以及其他的焊接材料，焊接成本低；與其他焊接方法相比，由于電阻焊加熱時(shí)間短，熱量比較集中，故焊接后的熱影響區(qū)較小，焊接完成后的變形與應(yīng)力也小，其焊后不需要變形矯正和熱處理工序；生產(chǎn)效率高，且無(wú)噪聲、弧光及有害氣體產(chǎn)生。

2.2 應(yīng)用分析

隨著航空航天、電子、汽車(chē)及家用電器等領(lǐng)域的發(fā)展，電阻焊越加受到廣泛重視。由于電阻焊不需焊材和保護(hù)氣體，電極頭價(jià)格低廉、壽命長(zhǎng)，所以成本可低至傳統(tǒng)工藝的1/3；其焊接時(shí)間一般只需幾百毫秒，效率可達(dá)傳統(tǒng)焊接工藝的100倍以上，并且其焊接質(zhì)量高，適用薄板焊接，在汽車(chē)、航空航天等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

在以往核電項(xiàng)目上，由于薄板較少且多為全熔透焊縫，因此電阻焊基本沒(méi)有實(shí)際應(yīng)用。目前，中國(guó)核工業(yè)第二二建設(shè)有限公司承接的項(xiàng)目中需要焊接大量不銹鋼半熔透、半封閉的墊塊，無(wú)需考慮密封性和熔透性，只要保證抗拉強(qiáng)度和耐蝕性與常規(guī)氬弧焊相當(dāng)，因此該工程就非常適合采用電阻焊技術(shù)，特別是高效率的自動(dòng)電阻焊技術(shù)，更是能極大地提高焊接效率。

3 可行性分析

3.1 理論論證

根據(jù)不銹鋼隔離墊塊的結(jié)構(gòu)和分布，可采用自動(dòng)化電阻焊設(shè)備實(shí)現(xiàn)焊接，初步設(shè)想如圖4所示。該設(shè)備上設(shè)置有多個(gè)電阻焊槍?zhuān)ǜ鶕?jù)不銹鋼襯里房間模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需求，也可以設(shè)置更多電阻焊槍?zhuān)?，按一塊墊板上焊接4個(gè)焊點(diǎn)來(lái)計(jì)算，平均每秒可以完成一塊墊板的焊接（單個(gè)焊點(diǎn)的時(shí)間為2s，主要是電阻焊槍行走的時(shí)間，實(shí)際焊接時(shí)間僅0.1s左右），則該設(shè)備每天8h焊接量為2.88萬(wàn)塊，其焊接效率遠(yuǎn)高于人工焊接，可達(dá)100倍以上（此處焊接效率是不考慮前期準(zhǔn)備工作等其他因素的效率，如考慮其他因素，則自動(dòng)電阻焊綜合效率也可達(dá)手工鎢極氬弧焊的50倍以上），且無(wú)需焊材，因此其成本也要優(yōu)于鎢極氬弧焊焊接。以往16個(gè)月工期的工程量可以在2個(gè)月內(nèi)完成（僅需1臺(tái)設(shè)備），如果設(shè)備24h連續(xù)不間斷運(yùn)轉(zhuǎn)，則效率更高。通過(guò)分析，若將自動(dòng)電阻焊技術(shù)應(yīng)用于不銹鋼墊塊焊接，能夠大大提高焊接效率，縮短施工工期，是完全可行的。

圖4 自動(dòng)電阻焊設(shè)備

3.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證電阻焊試件與鎢極氬弧焊試件的外觀質(zhì)量、力學(xué)性能等的優(yōu)劣，開(kāi)展了系列對(duì)比試驗(yàn)和分析。

（1）試驗(yàn)材料 選用與工程實(shí)體相同類(lèi)型的材質(zhì)進(jìn)行焊接試驗(yàn)，墊塊及覆面板厚度為3mm。具體規(guī)格見(jiàn)表1。

表1 材料清單

（2）試驗(yàn)設(shè)備 電阻焊試驗(yàn)時(shí)選用了上海豪精機(jī)電有限公司設(shè)計(jì)制造的SMD-60中頻電阻點(diǎn)焊機(jī)，點(diǎn)焊機(jī)的電極采用銅-鉻合金標(biāo)準(zhǔn)尖頭直電極，電極的端面直徑為8mm，點(diǎn)焊機(jī)的技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 電阻點(diǎn)焊機(jī)技術(shù)參數(shù)

氬弧焊試驗(yàn)采用的焊機(jī)是北京時(shí)代科技股份有限公司生產(chǎn)的逆變焊機(jī)WS-400，最大額定電流為400A。焊絲為φ1.2mm的ER308L不銹鋼氬弧焊絲，保護(hù)氣體為99.99%的純氬氣。

（3）試驗(yàn)方法與過(guò)程 為了驗(yàn)證電阻焊接頭的力學(xué)性能，開(kāi)展了電阻焊接頭與氬弧焊接頭的抗剪對(duì)比試驗(yàn)。具體試驗(yàn)過(guò)程為在中型試件上，分別采用氬弧焊和電阻焊進(jìn)行焊接，氬弧焊焊接采用單側(cè)焊接、雙側(cè)焊接和三側(cè)焊接的分組焊接方式，電阻焊則采用單焊點(diǎn)、雙焊點(diǎn)、四焊點(diǎn)和六焊點(diǎn)的分組焊接方式，焊后采用如圖5所示的方式進(jìn)行剪切試驗(yàn)。同時(shí)，為了模擬現(xiàn)場(chǎng)焊接，采用電阻焊方法在大型試件上焊接小塊試件，并對(duì)接頭的金相、腐蝕性能進(jìn)行了對(duì)比分析。

圖5 拉剪試驗(yàn)示意

3.3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

（1）抗剪力對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果 電阻焊與氬弧焊試件抗剪試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。從表3可以看出，采用氬弧焊方法，當(dāng)單側(cè)焊縫長(zhǎng)度為20mm、焊腳尺寸為2.5mm時(shí)，單側(cè)抗剪力約為20kN；采用電阻焊方法，焊核直徑為8mm時(shí)，單個(gè)焊點(diǎn)的抗剪力為21kN，與單條氬弧焊焊縫的抗剪力相當(dāng)；實(shí)際隔離墊塊采用的是四面圍焊，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析，四個(gè)電阻焊點(diǎn)的抗剪力即可滿足要求。

表3 電阻焊與氬弧焊試件抗剪力對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果

當(dāng)然，電阻焊試件的抗剪力還與焊核尺寸有關(guān)，如果對(duì)承載力有更高的需求，可采取增加焊點(diǎn)或增大焊核直徑的方式，如當(dāng)達(dá)到六個(gè)焊點(diǎn)時(shí)，電阻焊試件的抗剪力已可達(dá)到102kN。一般在不增加設(shè)備配置的情況下，可通過(guò)調(diào)整電阻焊焊接參數(shù)，將焊核直徑增加到12mm，預(yù)計(jì)單個(gè)焊點(diǎn)承載力可以增加2.25倍，即45kN。表4為優(yōu)化后的焊接參數(shù)，利用球面電極增加焊點(diǎn)直徑的特性，再加上一個(gè)焊接周期內(nèi)多次焊接與回火焊接，單個(gè)電阻焊點(diǎn)的抗剪力平均值達(dá)到了52kN，焊接試件及拉伸試驗(yàn)如圖6所示。

表4 優(yōu)化焊接參數(shù)單點(diǎn)電阻焊試件參數(shù)與剪切拉伸試驗(yàn)

圖6 優(yōu)化焊接參數(shù)單點(diǎn)電阻焊試件與拉伸殘樣

（2）焊接熱影響對(duì)比 同時(shí)對(duì)電阻焊和氬弧焊的熱影響進(jìn)行了對(duì)比，如圖7、圖8所示。從中可以看出，采用電阻焊后的試件氧化程度明顯較氬弧焊的輕微，這是因?yàn)闅寤『副举|(zhì)為熔化焊接，焊接過(guò)程熱輸入較大，因此焊縫及其附近的母材氧化程度更加嚴(yán)重；電阻焊焊接時(shí)間很短，冷卻速度很快，因此熱影響區(qū)域更小。氧化程度的增加不僅會(huì)加劇晶間腐蝕，同時(shí)會(huì)造成更大的焊接變形和應(yīng)力。通過(guò)初步試驗(yàn)，電阻焊后的試件變形可忽略，而氬弧焊接頭的變形比較明顯。

圖7 電阻焊焊點(diǎn)熱影響

圖8 鎢極氬弧焊腳焊縫熱影響

（3）焊接效率對(duì)比 經(jīng)實(shí)測(cè)，采用手工鎢極氬弧焊，每個(gè)小墊塊焊接時(shí)間為2min，一個(gè)焊工單個(gè)工作日可以焊接240塊左右。而采用電阻焊，焊接單個(gè)焊點(diǎn)的時(shí)間為2s，主要是焊槍行走的時(shí)間，實(shí)際焊接時(shí)間僅1s左右，可同時(shí)設(shè)置6～12個(gè)焊槍。若按同時(shí)設(shè)置6個(gè)焊槍?zhuān)總€(gè)小墊塊按2～4個(gè)焊點(diǎn)計(jì)算，每個(gè)小墊塊焊接時(shí)間≤2s。因此，電阻焊焊接不銹鋼覆面隔離墊塊的綜合效率可達(dá)手工鎢極氬弧焊的百倍。

另外，墊塊的電阻焊接頭可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化焊接，還可進(jìn)一步提升工效。目前，我公司正在制造第一代自動(dòng)上料與焊接的自動(dòng)電阻焊設(shè)備，可通過(guò)采用彈匣式自動(dòng)上料裝置實(shí)現(xiàn)最多同時(shí)6塊墊塊上料，并且將上料裝置與焊接接頭近距離設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)墊塊上料、固定和焊接一體化功能，進(jìn)一步提高產(chǎn)品質(zhì)量與效率，如圖9所示。

圖9 自動(dòng)電阻焊設(shè)備

在人員資質(zhì)、取證周期方面，隔離墊塊的人工鎢極氬弧焊焊接也需要審核焊工資質(zhì)，對(duì)焊工進(jìn)行培訓(xùn)與考核取證，最少需要3個(gè)月時(shí)間。而根據(jù)新HAF603的規(guī)定，電阻焊則只需要焊工聘用單位內(nèi)部進(jìn)行技能評(píng)定即可，取證周期可縮短至一周。

（4）金相試驗(yàn) 小試件電阻焊接頭焊接完成后，將試件切割成50mm×50mm正方形試樣，隨后沿著焊點(diǎn)中心線將試件剖開(kāi)成50mm×25mm的兩個(gè)試樣，隨機(jī)對(duì)其中之一的斷面進(jìn)行金相制樣和腐蝕，腐蝕液選用王水，然后采用10倍放大鏡觀察。根據(jù)ASME IX—2007《焊接、釬接工藝評(píng)定》的要求，厚度為3mm+3mm的試件電阻焊接頭應(yīng)滿足以下技術(shù)要求。

1）焊件斷面應(yīng)無(wú)裂紋、未焊透、噴濺和夾渣等缺欠。

2）焊件氣孔：在試樣橫斷面上的氣孔不超過(guò)1個(gè)、在縱斷面上的氣孔不超過(guò)3個(gè)，任何氣孔的最大尺寸應(yīng)不超過(guò)焊道厚度的10%。

3）焊點(diǎn)熔核最小寬度應(yīng)為6mm。

4）熔化深度為0.6～4.8mm。

5）熔核在3.75mm內(nèi)應(yīng)無(wú)缺欠。

電阻焊接頭典型斷面宏觀金相如圖10所示，按照上述標(biāo)準(zhǔn)對(duì)金相進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果全部合格。

圖10 電阻焊接頭斷面宏觀金相

圖11所示為氬弧焊試件的斷面金相，可以看出，氬弧焊試件在焊接時(shí)可能因?yàn)闆](méi)有貼緊，而在焊縫根部產(chǎn)生間隙，嚴(yán)重時(shí)容易出現(xiàn)未熔合缺欠，服役過(guò)程中可能會(huì)引起應(yīng)力集中和腐蝕。而電阻焊焊接時(shí)，采用＞2t（19.6kN）的壓力對(duì)試件施壓，避免了氬弧焊時(shí)由于板材沒(méi)有貼緊而產(chǎn)生間隙的問(wèn)題，提升了焊縫的搭橋能力，提高了焊接質(zhì)量。

圖11 氬弧焊試件宏觀金相

4 不銹鋼墊塊電阻焊關(guān)鍵技術(shù)

4.1 自動(dòng)電阻焊設(shè)備

圖12所示為部分實(shí)際產(chǎn)品的墊塊分布，需研制相應(yīng)的非標(biāo)電阻焊設(shè)備實(shí)現(xiàn)墊塊的焊接。毫無(wú)疑問(wèn)，提升墊塊與覆面板的生產(chǎn)能力，最重要的就是自動(dòng)電阻焊設(shè)備。經(jīng)過(guò)分析，該設(shè)備的關(guān)鍵要素在于覆面板的輸送定位、墊塊的上料與定位、焊接過(guò)程均實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化與無(wú)人化。

圖12 不銹鋼覆面板墊塊分布

其中最為關(guān)鍵的就是墊塊的自動(dòng)上料以及在同一覆面板上焊接不規(guī)格墊塊。解決方法為設(shè)計(jì)一種類(lèi)似槍械彈夾的供料夾，隔離墊板可以自上而下依次出料，供料夾可根據(jù)每排墊塊需要數(shù)量通過(guò)程序控制自動(dòng)排列，再結(jié)合對(duì)應(yīng)布置的電阻焊槍頭，實(shí)現(xiàn)上料、固定及焊接一體化，如圖13所示。

圖13 自動(dòng)上料與焊接部位

4.2 自動(dòng)電阻焊工藝研究方向

一張覆面板上需要焊接約300塊墊塊，每個(gè)墊塊需焊接2～4個(gè)焊點(diǎn)，且電阻焊接過(guò)程基本為全自動(dòng)，因此如何保證焊點(diǎn)的焊接質(zhì)量，順利實(shí)現(xiàn)墊塊的不間斷量產(chǎn)成為關(guān)鍵技術(shù)。

分析認(rèn)為，一方面需繼續(xù)開(kāi)展電阻焊接頭性能與氬弧焊性能的進(jìn)一步研究，如接頭其他力學(xué)性能、耐腐蝕性能，從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)層面更好地實(shí)現(xiàn)電阻焊替代氬弧焊的可行性；另一方面，需繼續(xù)開(kāi)展電阻焊工藝試驗(yàn)，掌握影響電阻焊接頭量產(chǎn)的關(guān)鍵因素。例如：設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)方案，通過(guò)大量試驗(yàn)，得到最優(yōu)化的焊接參數(shù)，以使電阻焊接頭的性能具有較大的裕度，從而保障電阻焊焊接質(zhì)量的可靠性、穩(wěn)定性；或者，開(kāi)展電阻焊超聲波檢測(cè)技術(shù)研究，通過(guò)建立電阻焊超聲波信號(hào)特征與電阻焊熔核抗拉強(qiáng)度、抗剪力的映射關(guān)系等方法，檢驗(yàn)電阻焊的質(zhì)量；還可在電阻焊設(shè)備上開(kāi)發(fā)焊點(diǎn)質(zhì)量反饋系統(tǒng)裝置，生產(chǎn)時(shí)可實(shí)時(shí)反饋每個(gè)焊點(diǎn)質(zhì)量，當(dāng)出現(xiàn)異常時(shí)及時(shí)停機(jī)止損。

5 結(jié)束語(yǔ)

1）從電阻焊技術(shù)原理進(jìn)行分析，同時(shí)通過(guò)初步試驗(yàn)，證明了采用電阻焊方法的接頭抗剪力與氬弧焊的相當(dāng)，生產(chǎn)效率可達(dá)到手工氬弧焊的近百倍，具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

2）分析了墊塊采用電阻焊的關(guān)鍵技術(shù)，包括自動(dòng)電阻焊設(shè)備的研制，以及覆面板批量生產(chǎn)時(shí)焊點(diǎn)質(zhì)量的保證。

后續(xù)有待進(jìn)一步研究電阻焊接頭性能以及可靠的電阻焊工藝，繼續(xù)推進(jìn)不銹鋼墊塊電阻焊在現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際應(yīng)用，促進(jìn)我國(guó)核電關(guān)聯(lián)產(chǎn)業(yè)建設(shè)的極大發(fā)展。