核電站主管道窄間隙自動(dòng)焊常見(jiàn)問(wèn)題及其調(diào)整方法

核工業(yè)工程技術(shù)研究設(shè)計(jì)有限公司 （北京 101300） 王 健 馮英超

1.概述

核電站主冷卻劑回路管道（簡(jiǎn)稱(chēng)主管道）連接反應(yīng)堆壓力容器、蒸汽發(fā)生器及主泵，構(gòu)成一回路壓力邊界。福清、方家山核電站主回路管道現(xiàn)場(chǎng)的安裝施工使用了純氬保護(hù)窄間隙自動(dòng)焊焊接工藝（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“窄間隙自動(dòng)焊”），以縮短建造周期、提高施工質(zhì)量、降低建造成本。

窄間隙自動(dòng)焊工藝作為一種新工藝應(yīng)用于核電站主回路管道的焊接工作中，以自動(dòng)焊機(jī)為主體，依靠自動(dòng)焊操作工進(jìn)行操作，降低了人為因素造成質(zhì)量缺陷的可能性，并且一定程度上改變了對(duì)主回路管道焊工的超高要求，焊接操作工經(jīng)過(guò)專(zhuān)門(mén)培訓(xùn)，取證合格后即可上崗工作。

對(duì)于窄間隙自動(dòng)焊，具有焊接效率高，焊接質(zhì)量好的優(yōu)點(diǎn)，但也容易出現(xiàn)一些諸如頻繁粘鎢、熔池下墜、側(cè)壁熔合不良等問(wèn)題。

本文就上述問(wèn)題出現(xiàn)的原因進(jìn)行詳細(xì)描述，并從可能引起該問(wèn)題的多方面因素給出調(diào)整方法。

2.窄間隙自動(dòng)焊焊接工藝

（1）焊接方法 主管道的現(xiàn)場(chǎng)焊接是核電站建造中的難題和關(guān)鍵點(diǎn)之一。以往國(guó)內(nèi)核電站現(xiàn)場(chǎng)安裝施工中，主管道的焊接工藝為傳統(tǒng)焊條電弧焊，接頭質(zhì)量在很大程度上受焊工的技能水平、情緒和身體狀況等影響，并且焊工勞動(dòng)強(qiáng)度大，焊接效率低，工期長(zhǎng)。自2004年開(kāi)始，我公司開(kāi)始了核電站主回路管道窄間隙自動(dòng)焊技術(shù)的研究，并于2009年獲得國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利，后續(xù)又與中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院、中國(guó)核電工程有限公司聯(lián)合開(kāi)展工程實(shí)際應(yīng)用工作。

與傳統(tǒng)的焊條電弧焊工藝相比，窄間隙自動(dòng)焊具有如下優(yōu)點(diǎn)：①熔敷金屬填充量少：自動(dòng)焊坡口屬于窄間隙坡口，填充空間小。②焊接效率高：自動(dòng)焊的填充空間小，間隔時(shí)間短（屬于360°的連續(xù)焊接），可連續(xù)作業(yè)。③焊接接頭質(zhì)量好：自動(dòng)焊焊接過(guò)程依靠的是標(biāo)準(zhǔn)的焊接參數(shù)且由自動(dòng)焊設(shè)備來(lái)執(zhí)行，使得整體焊縫的焊接熱輸入合理、穩(wěn)定，焊縫的晶間組織較為理想（晶粒小、均勻）。④焊接操作簡(jiǎn)單：自動(dòng)焊主要依靠的是自動(dòng)焊設(shè)備和焊接參數(shù)，而對(duì)人工的依賴(lài)程度低，使得整體操作流程簡(jiǎn)單化。⑤焊接過(guò)程具有可視性、可追溯性：自動(dòng)焊實(shí)施的過(guò)程中擁有全程的視頻監(jiān)控及記錄，可以進(jìn)行焊接過(guò)程觀察，也可以對(duì)整個(gè)過(guò)程進(jìn)行記錄。

（2）焊接設(shè)備 窄間隙自動(dòng)焊設(shè)備即自動(dòng)焊焊機(jī)，最終確定選用加拿大LIBURDY公司的產(chǎn)品。通過(guò)福清自動(dòng)焊試驗(yàn)室的系列試驗(yàn)，可以確認(rèn)采用LIBURDY公司的設(shè)備以及目前開(kāi)發(fā)的焊接參數(shù)，可以焊接出質(zhì)量穩(wěn)定、合格的焊縫。

（3）填充材料 焊接填充材料為不銹鋼焊絲，有兩種：自動(dòng)焊絲為ER 316Lφ0.8mm和ER 316LSiφ1.0mm，其中ER 316Lφ0.8mm用于熔透焊道、支撐焊道的焊接，ER 316LSiφ1.0mm用于后續(xù)填充焊道、蓋面焊道的焊接。

3.問(wèn)題描述及解決途徑

窄間隙自動(dòng)焊工藝在福清核電站、方家山核電站的主回路管道已經(jīng)成功應(yīng)用，在施焊過(guò)程中，出現(xiàn)了頻繁沾污、側(cè)壁熔合不良、熔孔等問(wèn)題，上述問(wèn)題對(duì)焊接質(zhì)量有可能形成影響，下面就上述問(wèn)題的成因及解決措施進(jìn)行描述。

（1）頻繁粘鎢 粘鎢，指在起弧或施焊過(guò)程中鎢極部分接觸熔池形成短路，造成焊接過(guò)程停止的情況。

出現(xiàn)頻繁粘鎢的主要原因包括：

第一，冷卻水循環(huán)不暢。自動(dòng)焊焊機(jī)機(jī)頭與焊機(jī)間線纜較長(zhǎng)，在反復(fù)使用中易出現(xiàn)冷卻水循環(huán)不暢，對(duì)機(jī)頭的冷卻作用降低，易出現(xiàn)粘鎢。經(jīng)過(guò)調(diào)整焊機(jī)機(jī)頭與焊機(jī)間的連線可解決粘鎢問(wèn)題。

第二，鎢極偏轉(zhuǎn)。在窄間隙焊接工藝中規(guī)定了鎢極的縱向偏轉(zhuǎn)角度，如附圖所示，對(duì)于5GT、6GT位置來(lái)說(shuō)，如果在施焊過(guò)程中對(duì)應(yīng)相應(yīng)的焊道及其焊接參數(shù)，出現(xiàn)了鎢極偏轉(zhuǎn)角度不足甚至鎢極偏轉(zhuǎn)角度相反的情況，極易在90°、270°位置出現(xiàn)粘鎢。如在上述位置出現(xiàn)頻繁粘鎢的情況，可考慮對(duì)鎢極縱向偏轉(zhuǎn)角度進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整范圍應(yīng)在焊接數(shù)據(jù)包所允許的范圍內(nèi)。

鎢極縱向偏轉(zhuǎn)示意

第三，層間溫度較高。在5GT位置管道施焊過(guò)程中，在連續(xù)焊接若干道后，在270°附近易出現(xiàn)因熔池過(guò)大而出現(xiàn)粘鎢的情況，原因?yàn)楹附訜彷斎肓窟^(guò)大，熔池由于自身重力原因拉長(zhǎng)，突然變形，導(dǎo)致自動(dòng)焊弧壓跟蹤失去調(diào)節(jié)作用，出現(xiàn)了粘鎢的情況。

調(diào)整方法：出現(xiàn)此問(wèn)題后，首先盡量將層間溫度控制在較低水平，在施焊過(guò)程中實(shí)時(shí)觀察熔池，在5GT位置焊接180°～360°區(qū)間內(nèi)，在確保側(cè)壁熔合良好的前提下，壓低弧壓、降低基值電流，視熔池與側(cè)壁熔合情況降低峰值電流，盡量減小熱輸入量并將熔池控制在較小范圍內(nèi)，避免出現(xiàn)自動(dòng)焊機(jī)弧壓跟蹤失效的情況。

（2）側(cè)壁熔合不良 問(wèn)題描述：在5GT位置180°～270°焊縫根部?jī)蓚?cè)，6GT位置180°～270°焊縫根部下側(cè)，以及部分焊道由于電弧偏吹問(wèn)題導(dǎo)致的單側(cè)熔合不良。

調(diào)整方法：此問(wèn)題屬于在爬坡位置出現(xiàn)側(cè)壁熔合不良，原因有如下兩方面：

第一，熱輸入量不足。使用在主管道現(xiàn)場(chǎng)的焊接工藝均經(jīng)過(guò)工藝評(píng)定及車(chē)間評(píng)定的驗(yàn)證，即焊接所使用的參數(shù)已經(jīng)過(guò)驗(yàn)證，熱輸入量不足不是出現(xiàn)此問(wèn)題的主要原因。但可通過(guò)降低鎢極行走速度、增加峰值電流同時(shí)降低基值電流來(lái)緩解出現(xiàn)側(cè)壁熔合不良的情況，以上焊接參數(shù)的調(diào)節(jié)均應(yīng)在焊接數(shù)據(jù)包允許范圍內(nèi)進(jìn)行。

第二，電弧張開(kāi)角度不足。影響電弧張開(kāi)角度的因素有電流的大小、鎢極的錐度、鎢極平臺(tái)的大小。電流大小在焊接參數(shù)的范圍內(nèi)，經(jīng)過(guò)工藝評(píng)定的驗(yàn)證可確定電流大小不是側(cè)壁熔合不良的原因；鎢極的錐度，福清、方家山現(xiàn)場(chǎng)所使用的鎢極均使用專(zhuān)用鎢極磨削器進(jìn)行打磨，鎢極的錐度為固定的30°，可確定不是側(cè)壁熔合不良的原因。另外，在工藝評(píng)定過(guò)程中，對(duì)于鎢極平臺(tái)的描述為鎢極平臺(tái)直徑為0.8～1.2mm，鎢極平臺(tái)尺寸為0.8mm時(shí)電弧張開(kāi)角度大于1.2mm時(shí)的電弧張開(kāi)角度，鎢極平臺(tái)越大，鎢極越不易燒損。但在出現(xiàn)焊縫兩側(cè)熔合不良的情況或電弧偏吹導(dǎo)致單側(cè)熔合不良的情況下，可使用在數(shù)據(jù)包中規(guī)定的鎢極平臺(tái)最小尺寸進(jìn)行施焊，可有效緩解側(cè)壁熔合不良的情況。

（3）熔孔 在5GT位置180°～270°之間易出現(xiàn)此問(wèn)題，表現(xiàn)為熔池?zé)o法穩(wěn)定的掛在焊縫上，出現(xiàn)熔孔。

調(diào)整方法：5GT爬坡位置出現(xiàn)熔孔的原因主要有如下兩方面：

第一，電弧打開(kāi)角度不足。峰值電流時(shí)，電弧沒(méi)有打在焊縫根部?jī)蓚?cè)與母材交接位置，而是全部打在焊縫上，熱量全部集中于焊縫上，導(dǎo)致焊縫受熱過(guò)多出現(xiàn)熔孔。通常情況下，通過(guò)更換鎢極平臺(tái)更小的鎢極可解決此問(wèn)題，相同焊接參數(shù)下，更小的鎢極平臺(tái)尺寸會(huì)獲得更大的熔寬。電弧打開(kāi)角度不足是此問(wèn)題出現(xiàn)的原因之一。

第二，熱輸入量過(guò)大。熔孔易出現(xiàn)于連續(xù)焊接若干道后，即焊縫的層間溫度已升高，對(duì)于焊縫無(wú)需使用過(guò)大的焊接參數(shù)，在保證焊縫根部熔合良好的前提下，可通過(guò)減小基值電流，降低弧壓，視熔合情況減小峰值電流，加快鎢極行走速度，最終降低整體熱輸入量來(lái)避免熔孔的出現(xiàn)。重點(diǎn)是要根據(jù)焊縫根部寬度以及焊縫的層間溫度選擇適合的焊接參數(shù)進(jìn)行施焊。

4.結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)窄間隙自動(dòng)焊在主管道施工過(guò)程中出現(xiàn)的一些常見(jiàn)問(wèn)題進(jìn)行了描述并給出了調(diào)整方法，在保證后續(xù)窄間隙工藝的順利實(shí)施方面起到了積極作用。