杜恒芳，李 政，王 雄，王 康，陳旭芳

(中國建筑第二工程局有限公司，北京 100160)

1 工程概況

某核電站不銹鋼水池屬于核質保Q1級、核安全Ⅱ級的設備，對接帶墊板焊縫需進行100%VT+100%LT+100%PT+100%RT探傷，焊接質量要求嚴格。不銹鋼水池由底板、池壁、天花組成，包含IRWST水池、反應堆水池、ASG水池、ASP水池、EHR水池、乏燃料水池、轉運井、運載井及準備井等，水池材質為022Cr19Ni10，池壁和天花厚4mm，池底厚6mm，坡口形式為V形，角度為單邊(30+2.5)°，組對間隙2～6mm，不銹鋼水池對接焊縫長達13 000m，焊接工作量大，且薄板在焊接時易變形，質量控制難度很大。

采用手工氬弧焊焊接打底焊縫，現場組裝焊縫時，覆面板與拍片槽墊板間易貼合不嚴密，干燒焊接熔化坡口底部后，進一步加大覆面板與拍片槽貼合面間隙，熔化的鐵水沿間隙流入，但溫度不足以熔化覆面板底部母材，造成拍片射線底片有加寬的黑線，而此黑線與未熔合缺陷顯示類似，判定為未熔合缺陷。

該熱絲TIG激光跟蹤自動焊由激光視覺檢測系統、智能控制系統、數據通信及控制、焊接小車、焊接電源和擺動送絲機構等構成。打底焊道采用15 000Hz超級脈沖+擺動焊接+熱絲+弧壓跟蹤+焊接前進行激光示教的方式，保證焊接時實時跟蹤坡口變化和焊道直線度變化，并切換事先儲存的焊接JOB號調，調用適合的焊接參數完成焊接，電弧更精密、更聚弧、功率強度更密集，能加大均勻的熔深，減少熱影響區(qū)域，加大電弧壓力，有效連接拍片槽與覆面板，避免現場組對時因覆面板與拍片槽貼合不嚴，導致射線底片出現黑線的未熔合缺陷。采用德國蕾姆電源，以獲得穩(wěn)定電弧，保證自動焊打底、填充、蓋面焊接參數穩(wěn)定輸出，焊接過程連續(xù)，提高焊縫質量。不銹鋼水池三維模型如圖1所示，其現場焊接接頭節(jié)點如圖2所示。

圖1 不銹鋼水池三維模型

圖2 不銹鋼水池現場焊接接頭節(jié)點

2 現場有間隙焊縫模擬試驗

2.1 試驗材料、設備

覆面板與墊板(拍片槽)材質均為022Cr19Ni10，抗拉強度Rm均≥490MPa，墊板使用φ1.2的大西洋焊絲ER308L，焊機型號為Inverting prodigtal 350DC。

2.2 有間隙模擬件制作

根據現場焊接經驗，在不銹鋼覆面板和拍片槽組對緊密的情況下，當采用自動焊進行無填充、無擺動工藝時，焊縫一般不出現未熔合等缺陷，但因現場條件復雜，很難保證長直焊縫貼合緊密、焊縫不出現未熔合缺陷。所以根據現場情況，采用自動焊工藝進行有間隙焊縫模擬試驗，并分析原因，提出解決辦法。

試驗件施工流程如下：根據設計圖紙，確定焊接工藝方案→根據質量計劃，對鋼板下料→加工鋼板坡口→構件組對，覆面板與墊板間隙為1.5，1.3mm→焊接覆面板，進行無損檢測→分析射線檢測結果→理化檢測。

參考BS3RXC25232DPZS42SD《內環(huán)池-2.7m以下池壁鋼覆面焊接節(jié)點圖》中的W01焊接節(jié)點，結合覆面板與墊板貼合間隙，確定自動焊TIG焊無填充、無擺動的焊接工藝，構件組對時要求焊縫一側間隙為1.5mm，另一側為1.3mm(見圖3)。

圖3 覆面板與墊板間隙

參與試驗的人員需參加交底培訓，完成后焊工按照模擬工藝參數焊接覆面板，模擬件編號為SYYJ-GG-001，工藝參數如表1所示。

表1 模擬件焊接工藝參數

打磨干凈試件兩側各50mm的區(qū)域，避免氧化物或夾雜物對焊接產生影響，進行自動焊時，風速≤2m/s、環(huán)境濕度<90%，焊接前應檢查所有工具、線路、電源開關及接地是否良好，是否有松動的零部件，嚴禁使用其他金屬絲代替開關保險絲，檢查標定是否在有效期內，不得使用沒有標定和失效的工機具。焊接作業(yè)前必須了解現場環(huán)境，確保無易燃易爆的物品和氣體泄漏后才可進行，焊接的弧光火花必須與氧氣瓶、燃油等易燃易爆物品保持適當距離。

按照焊接參數焊接焊縫，焊縫成型良好，焊接后對焊縫進行無損檢測。

根據檢測報告，VT，LT，PT檢測結果合格，RT檢測結果為1號片在88～99處存在2個氣孔，-15～95mm處未熔合；2號片在-100～85mm處未熔合，焊縫射線不合格，無損檢測結果如表2所示。

表2 無損檢測結果統計

射線底片中有2條明顯的黑線(見圖4)，且黑線有一定寬度，與未熔合現象特征基本吻合，故無損檢測評定結果為焊縫未熔合缺陷。由于覆面板與墊板焊接時存在間隙(1.3，1.5mm)，分析焊縫未熔合缺陷主要是因為根部存在間隙，同時對射線缺陷進行力學分析，研究缺陷對焊縫質量的影響。

圖4 試驗焊縫射線底片影響

標識焊縫無損檢測報告中的缺陷位置，有2處連續(xù)的未熔合缺陷，且在88，94mm處有超標氣孔，為進一步研究射線底片黑線對焊縫力學性能的影響，在缺陷位置切取試樣，進行常溫拉伸、面彎、背彎、宏觀金相、微觀金相等理化試驗，為有效辨別已有缺陷與底片黑線對焊縫性能影響的區(qū)別，將SYYJ-GG-001-2背彎試塊取88，94mm處超標氣孔，其他試樣取其余底片黑線處進行研究。

對選取的試樣進行理化檢測，檢測項目及檢測依據與實際焊縫要求一致，理化報告顯示取自其余底片黑線處的常溫拉伸、面彎、背彎、宏觀金相、微觀金相試驗滿足要求，結果為合格，同時宏觀金相未發(fā)現未焊透、未熔合及超過射線檢驗標準的氣孔，且無裂紋。而88，94mm處超標氣孔存在5.1mm寬的開口性缺陷，不合格。

3 模擬試驗分析及改進措施

3.1 模擬試驗未熔合問題分析

1)覆面板與墊板組對存在間隙時，焊縫表面成型良好，無損檢測VT，PT，LT結果合格，焊縫打底采用不加絲、無擺動焊接方法時，RT底片顯示黑線影像(見圖5)。

圖5 焊縫截面(背后有間隙時)

2)對RT底片存在黑線影像位置及超標缺陷位置進行理化試驗，當所取試樣僅在黑線位置(無其他缺陷)，理化試驗結果滿足要求；當所取試樣在黑線位置且有超標氣孔缺陷時，理化試驗結果不滿足要求。說明射線底片有未熔合缺陷時，對焊縫力學性能影響不明顯或影響甚微，但有超標缺陷的情況下，對焊縫力學性能影響較大，導致不合格。

3.2 模擬試驗改進措施

現場不銹鋼覆面板帶拍片槽對接焊接時，存在拍片槽安裝不平整、覆面板沿墻弧度安裝時變形、組對角度偏差、頂緊力不足等問題，導致覆面板與墊板組對時存在一定間隙，難以達到設計要求的零間隙，需改進焊接工藝，減少現場焊接工藝或規(guī)避因環(huán)境因素導致的焊接缺陷，具體如下。

1)采用15 000Hz超級脈沖+擺動焊接打底，電弧更精密、更聚弧、功率強度更密集，能加大均勻熔深，減小熱影響區(qū)域，加大電弧壓力，可有效連接拍片槽與覆面板。打底時增加擺動功能，可將熔池內的金屬母材兩側融化、填充間隙，避免在根部產生未熔合缺陷。

2)自動焊采用激光視覺跟蹤系統，可在焊接環(huán)境中實時提取焊接區(qū)域信息，如位置、間隙、錯邊、面積、電弧、熔池、咬邊、余高等，以保證焊接質量。

3)自動焊采用弧壓跟蹤系統，可保證自動焊接時實時監(jiān)控弧壓，使均勻處于正?；合拢苊夂附訒r弧壓突變引起焊接質量問題。

4)自動焊接時增加熱絲功能，可提前加熱焊絲，提高焊接效率。

5)改進后的焊接工藝參數如表3所示。

表3 改進焊接工藝參數

4 改進措施驗證

依據改進措施進行焊接，確認焊接工藝無問題后，按照《RCC-M壓水堆核電站核島機械設備設計與建造規(guī)則》(2007版)和ISO 15614—7—2016《金屬材料焊接工藝規(guī)程及評定》要求，進行試件焊接、試樣檢驗、性能測定驗證，最終結果均滿足要求，檢測結果如表4～6所示。

表4 無損檢測結果

表5 化學分析檢測結果 %

表6 力學性能檢測結果

5 自動焊現場應用

現場應用前制作1∶1的模擬件，并通過無損檢測(100%VT+100%LT+100%PT+100%RT)，驗證該工藝在現場條件下是否滿足要求，模擬件完成后，按照實體焊縫施工流程執(zhí)行質量開啟計劃、焊接專項交底、焊接控制單，并在焊接時控制不銹鋼覆面板焊接變形。TIG自動焊工藝在IRWST水池、反應堆水池、ASG水池中優(yōu)先開啟應用。熱絲TIG激光跟蹤自動焊IRWST水池焊縫如圖6所示。

圖6 熱絲TIG激光跟蹤自動焊IRWST水池焊縫

6 結語

核電站薄板不銹鋼水池采用熱絲TIG自動焊工藝，通過對核工藝進行開發(fā)研究、模擬試驗驗證、工藝參數改進及現場應用驗證等措施，得到以下結論。

1)打底焊道采用15 000Hz超級脈沖+擺動焊接工藝，可有效解決覆面板與拍片槽貼合不嚴密產生未熔合的問題。

2)不銹鋼水池進行TIG自動焊時，采用弧壓跟蹤、激光跟蹤控制的方法，很大程度上實現自動化、智能化焊接，操作簡單，可減少對熟練焊工的依賴。

3)不銹鋼水池TIG自動焊具有熱絲功能，可加速焊絲熔敷率，提高焊接效率。

4)蕾姆電源性能穩(wěn)定，可保證自動焊打底、填充、蓋面的焊接參數穩(wěn)定輸出，使焊接過程連續(xù)，提高焊縫質量。

5)現場使用熱絲TIG自動焊的應用效果良好，表明此工藝已具備現場實體焊接的能力，焊接質量可靠，可大量推廣。