螺柱焊在AP1000模塊預(yù)制中的參數(shù)與質(zhì)量控制研究

劉偉

1. 概述

我國(guó)第三代核電AP1000技術(shù)采取標(biāo)準(zhǔn)化預(yù)制、模塊化施工的制作方式，其中結(jié)構(gòu)模塊主要作為結(jié)構(gòu)墻體、結(jié)構(gòu)樓板、樓梯以及其他輔助結(jié)構(gòu)，使核島及輔助廠房?jī)?nèi)部形成不同的獨(dú)立區(qū)域及相應(yīng)的結(jié)構(gòu)體，這其中廣泛使用了螺柱焊接的方式。螺柱焊在第三代核電模塊預(yù)制過(guò)程中大量應(yīng)用，為模塊化制造及縮短預(yù)制周期等提供了保障。

螺柱焊是采用專用的焊接設(shè)備，通過(guò)在螺柱與母材間引燃電弧，當(dāng)螺柱與母材被電弧加熱到合適溫度時(shí)，專用焊槍機(jī)構(gòu)會(huì)自動(dòng)地施加外力，將螺柱壓入母材的熔池中，使二者達(dá)到原子間結(jié)合，形成永久焊接接頭的一種連接方式。

2. 螺柱焊控制要點(diǎn)

（1）人員因素 所有從事螺柱焊接的操作人員均應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)程序、焊機(jī)操作培訓(xùn)，并應(yīng)考取可覆蓋該項(xiàng)工作的相應(yīng)資格證書(shū)，才能勝任螺柱焊接工作。

（2）材料因素 主要由螺柱和工件母材兩方面決定，所需材料均應(yīng)按照相關(guān)程序進(jìn)行接收，且驗(yàn)收合格。

螺柱：對(duì)螺柱的選擇主要是外形尺寸和材質(zhì)兩方面。螺柱本身的碳含量，直接決定了焊后焊縫金屬存在的相態(tài)力學(xué)性能。

焊接螺柱前端鉚有Al制引弧結(jié)，該引弧結(jié)的完好性是實(shí)現(xiàn)焊接過(guò)程的前提。由于Al的熔點(diǎn)較低，容易引起電弧，保證焊接過(guò)程的實(shí)現(xiàn)，加上Al是氧化劑，可以減小空氣中O2和N2對(duì)接頭的影響，改善焊縫質(zhì)量，同時(shí)鋁與氧的親和力較強(qiáng)，在焊接過(guò)程中能參與熔池化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)后形成第二相氧化物粒子，這些細(xì)小的氧化物粒子均勻彌散地分布在焊縫金屬中，起到細(xì)化晶粒的作用，進(jìn)而有利于提高焊縫質(zhì)量。

工件外形及表面狀態(tài)：焊接工件的外部形狀對(duì)焊接質(zhì)量具有較大影響，在非對(duì)稱或者不規(guī)則工件上進(jìn)行電弧螺柱焊，若不采取相應(yīng)的防護(hù)措施，有可能發(fā)生磁偏吹現(xiàn)象。磁偏吹表現(xiàn)為螺柱與工件間的電弧不穩(wěn)定，導(dǎo)致螺柱與工件結(jié)合處金屬熔化不規(guī)則，結(jié)合面面積小于螺柱面積，從而影響焊接質(zhì)量。工件的表面狀態(tài)包括油污、鐵銹、油漆、水分及氧化皮等。其中，水分對(duì)焊接質(zhì)量影響最大，易產(chǎn)生大量蜂窩狀氣孔及飛濺。

（3）設(shè)備因素 電弧螺柱焊焊接時(shí)間短、自動(dòng)化程度高，焊接質(zhì)量在一定程度上更依賴于焊接設(shè)備的性能，作為焊接能量的提供者，焊接電源的性能在很大程度上影響著焊接過(guò)程的順利實(shí)現(xiàn)和焊接質(zhì)量的優(yōu)劣，因而焊接設(shè)備的使用狀況對(duì)焊接質(zhì)量起著不可忽視的作用。

同時(shí)，螺柱焊槍是焊接過(guò)程的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，起著實(shí)現(xiàn)焊接過(guò)程的作用。焊接過(guò)程中螺柱的提起、送進(jìn)運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)主要是由線圈的通斷電和彈簧的壓縮、釋放來(lái)完成。涉及螺柱運(yùn)動(dòng)的焊槍行為參數(shù)主要有螺柱提升高度和螺柱插入深度。

螺柱提升高度：螺柱提升高度決定了焊接過(guò)程的電弧長(zhǎng)度，也就決定了電弧電壓的大小。根據(jù)待焊螺柱的直徑選擇合適的提升高度。提升高度太小，容易出現(xiàn)短路現(xiàn)象，電弧燃燒不穩(wěn)定甚至造成“縮頸”現(xiàn)象；提升高度過(guò)大時(shí)，焊接熱輸入增大，但是長(zhǎng)的電弧容易產(chǎn)生磁偏吹，從而影響焊接質(zhì)量。所以在保證電弧穩(wěn)定燃燒的情況下，提升高度可以采取保守的選擇。

螺柱插入深度：螺柱插入深度和送進(jìn)速度直接關(guān)系到焊接接頭的成形情況，決定了結(jié)合面處的輪廓，從而對(duì)接頭質(zhì)量產(chǎn)生影響。插入深度不足容易產(chǎn)生螺柱與工件接頭處結(jié)合不緊密，強(qiáng)度不高的現(xiàn)象；插入深度過(guò)大又會(huì)使過(guò)多熔池金屬擠壓出來(lái)。理想的插入深度應(yīng)該是保持螺柱與工件間有一層熔化金屬存在。

（4）工藝因素 焊接過(guò)程控制主要是對(duì)焊接電弧參數(shù)的控制，其中，電弧電壓、焊接電流和焊接時(shí)間是拉弧式電弧螺柱焊的主要焊接參數(shù)。電弧電壓主要決定于焊接電弧的長(zhǎng)度，一定弧長(zhǎng)的情況下，電弧電壓變化不會(huì)很大。焊接電流使得金屬熔化和蒸發(fā)，電流大小的變化決定了熔化金屬量；而焊接時(shí)間同樣對(duì)金屬熔化量起著決定作用，合適的焊接時(shí)間保證工件表面污染物燒損或氣化。

3. 焊接過(guò)程控制要點(diǎn)

（1）焊前控制 母材檢查：螺柱不得有銹、氧化皮、油漆、涂層及潮氣等影響焊接質(zhì)量的物質(zhì)。在焊接前，螺柱表面應(yīng)使用丙酮或酒精進(jìn)行清潔，應(yīng)清除制作余渣。螺柱焊接前，應(yīng)按照生產(chǎn)商的要求對(duì)螺柱幾何形狀進(jìn)行檢查，包括對(duì)焊劑小球的檢查，以確保焊劑小球沒(méi)有丟失或損壞。

待焊區(qū)域及鄰近焊縫表面不得有氧化皮、銹、潮氣、油漆和其他有害物質(zhì)，以得到滿意的焊縫和避免難聞的煙氣。這些部位可以用鋼絲刷、打磨機(jī)或丙酮等進(jìn)行清理，清理范圍需要大出瓷環(huán)外徑5mm以上。

陶瓷環(huán)需要保證干燥，若陶瓷環(huán)受潮，則應(yīng)在120℃烘干2h，或按照廠家推薦的烘干要求進(jìn)行烘干。

設(shè)備檢查：在產(chǎn)品螺柱焊接前，QC人員和焊工班長(zhǎng)應(yīng)根據(jù)相關(guān)的文件要求對(duì)所用螺柱焊機(jī)和焊槍的參數(shù)進(jìn)行檢查，檢查無(wú)誤后，螺柱焊焊接操作工在焊接產(chǎn)品螺柱的過(guò)程中不得隨意改變參數(shù)。當(dāng)由于焊接位置、螺柱尺寸及材料種類等的改變而需要改變焊接參數(shù)時(shí)，應(yīng)通知QC人員對(duì)所調(diào)整的焊接參數(shù)重新進(jìn)行檢查，確認(rèn)符合相應(yīng)要求后，才可進(jìn)行焊接。

應(yīng)按照螺柱焊機(jī)相應(yīng)的操作規(guī)程進(jìn)行設(shè)備的操作，并對(duì)其進(jìn)行定期維護(hù)。

根據(jù)焊接方法中使用的能量，接地電纜應(yīng)滿足制造方有關(guān)尺寸和長(zhǎng)度的要求，并且確保電纜狀況良好，在該電纜長(zhǎng)度內(nèi)沒(méi)有破損。

每天應(yīng)核實(shí)焊槍提升高度和插入深度。

生產(chǎn)前試驗(yàn)：對(duì)于每一名螺柱焊焊接操作工，在每一班開(kāi)始焊接產(chǎn)品螺柱前，應(yīng)進(jìn)行生產(chǎn)前螺柱焊試驗(yàn)。當(dāng)螺柱焊槍、電源、焊接電纜總長(zhǎng)度、螺柱直徑、焊接位置以及焊接參數(shù)變化時(shí)，應(yīng)重新進(jìn)行生產(chǎn)前螺柱焊試驗(yàn)。

生產(chǎn)前試驗(yàn)應(yīng)在非正式產(chǎn)品母材上進(jìn)行，選用的試件材質(zhì)應(yīng)與所對(duì)應(yīng)的產(chǎn)品母材材質(zhì)相同，并且試件厚度的改變不得超過(guò)產(chǎn)品母材厚度的±25%。焊接位置及焊接參數(shù)應(yīng)與產(chǎn)品焊接參數(shù)相同。

每次試驗(yàn)應(yīng)至少連續(xù)焊接兩個(gè)螺柱，螺柱必須有360°飛邊且沒(méi)有進(jìn)入螺柱焊接端的咬邊現(xiàn)象。除對(duì)試驗(yàn)螺柱進(jìn)行目視檢查外，焊接螺柱冷卻后必須進(jìn)行彎曲試驗(yàn)，使用錘子或管子將螺柱從原始軸線彎曲至約30°。溫度＜10℃時(shí)，應(yīng)對(duì)螺柱連續(xù)緩慢加載，直到彎曲至約30°。

若目視檢查發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)螺柱沒(méi)有360°飛邊，或者試驗(yàn)中任一螺柱斷裂在焊縫區(qū)域，則應(yīng)調(diào)整工藝參數(shù)在試板上再連續(xù)焊接兩個(gè)螺柱，并進(jìn)行目視及彎曲檢測(cè)。若任一螺柱仍然不合格，則必須繼續(xù)在試板上補(bǔ)加螺柱焊試驗(yàn)，直至連續(xù)有兩個(gè)螺柱試驗(yàn)合格為止，才能在產(chǎn)品上進(jìn)行焊接。

做好每次生產(chǎn)前試驗(yàn)的記錄，必須使用數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)，并記錄保存相關(guān)過(guò)程數(shù)據(jù)。

（2）焊中控制 監(jiān)督螺柱焊操作工必須嚴(yán)格執(zhí)行相應(yīng)的焊接工藝規(guī)程（WPS）等文件的要求。

每名螺柱焊操作工在開(kāi)始焊接正式產(chǎn)品時(shí)，應(yīng)對(duì)其開(kāi)始焊接的前10個(gè)螺柱進(jìn)行目視檢查。如果其中有1個(gè)不合格，則應(yīng)對(duì)其后續(xù)的10個(gè)螺柱全部進(jìn)行目視檢查，對(duì)不合格的螺柱進(jìn)行返修。若在初始的10個(gè)螺柱中發(fā)現(xiàn)有1個(gè)以上的螺柱不合格，則表明這名螺柱操作工技能存在問(wèn)題，要撤換該名操作工，并對(duì)其進(jìn)行重新培訓(xùn)。

若同一部件上的螺柱返修率超過(guò)10%，生產(chǎn)部門(mén)應(yīng)將返修比例報(bào)送給質(zhì)量和技術(shù)部門(mén)，共同對(duì)焊接設(shè)備進(jìn)行評(píng)估、檢查。

一旦開(kāi)始產(chǎn)品的螺柱焊焊接，任何焊接參數(shù)的改變必須重新進(jìn)行生產(chǎn)前試驗(yàn)，試驗(yàn)合格后方可恢復(fù)生產(chǎn)活動(dòng)。

決定螺柱焊質(zhì)量最關(guān)鍵的因素是焊接過(guò)程中對(duì)熱輸入的控制，而焊接參數(shù)是焊接能量控制的核心。某公司采用了世界上先進(jìn)的焊接軟件控制系統(tǒng)，不僅可以實(shí)現(xiàn)對(duì)每一顆螺柱進(jìn)行能量參數(shù)記錄，且可通過(guò)計(jì)算熱輸入的高低，為判定螺柱焊接質(zhì)量是否合格提供依據(jù)。

（3）檢測(cè)方法 不銹鋼螺柱焊縫熔化值測(cè)量：對(duì)于螺柱焊接過(guò)程，螺柱長(zhǎng)度的減小或焊接中發(fā)生的熔化值是焊縫質(zhì)量的可靠指標(biāo)，并用作焊接工藝控制指標(biāo)。在螺柱焊接過(guò)程中，必須熔化一定數(shù)量的螺柱長(zhǎng)度以獲得較好質(zhì)量的焊縫，并形成焊縫金屬環(huán)或者焊接的螺柱底部周圍的飛邊。熔化值測(cè)量的測(cè)量分為實(shí)際測(cè)量法和過(guò)-不過(guò)測(cè)量法兩種。

在一張鋼板隨機(jī)選擇大約15%的螺柱進(jìn)行熔化值的檢查。如果＞5%的螺柱的熔化值小于規(guī)定值，則應(yīng)對(duì)100%的螺柱進(jìn)行檢查。

目視及其他檢測(cè)手段：生產(chǎn)過(guò)程中，如何科學(xué)合理地評(píng)判焊接質(zhì)量，將直接決定后序生產(chǎn)時(shí)工藝參數(shù)設(shè)定及產(chǎn)品質(zhì)量。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，使用多種科學(xué)檢測(cè)手段，可最大程度、最大范圍內(nèi)對(duì)螺柱焊接質(zhì)量進(jìn)行有效評(píng)估。

常態(tài)目測(cè)法：在評(píng)判螺柱焊的質(zhì)量時(shí)，均按照美國(guó)焊接協(xié)會(huì)AWS 標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)規(guī)定進(jìn)行。首先進(jìn)行外觀檢測(cè)，要求螺柱的整個(gè)360°均必須有飛邊且沒(méi)有接端咬邊現(xiàn)象。若發(fā)現(xiàn)任一螺柱沒(méi)有完整的360°飛邊或曾進(jìn)行過(guò)焊接修補(bǔ)，則必須對(duì)其進(jìn)行偏離約15°的彎曲試驗(yàn)，對(duì)于飛邊不足360°的螺柱，必須向無(wú)飛邊的反方向進(jìn)行彎曲。

百顆定檢法：每焊接完成100顆螺柱后，應(yīng)停止焊接，并對(duì)已焊接完成的100顆螺柱中最后1顆螺柱進(jìn)行彎曲試驗(yàn)，彎曲角度至少為15°，彎曲合格后，方可進(jìn)行后續(xù)螺柱的焊接。若被彎曲的螺柱不合格，則應(yīng)按照螺柱的焊接順序依次向前對(duì)兩個(gè)螺柱進(jìn)行彎曲試驗(yàn)。

隨機(jī)抽查法：當(dāng)軟件提示所焊接的當(dāng)前螺柱不符合設(shè)定的焊接參數(shù)時(shí)，應(yīng)立即停止焊接，并尋找原因，確定設(shè)備及參數(shù)設(shè)置無(wú)誤時(shí)，重新開(kāi)始焊接，并對(duì)顯示不符合的螺柱進(jìn)行15°彎曲試驗(yàn)。當(dāng)QC人員對(duì)當(dāng)前所焊接的螺柱產(chǎn)生懷疑時(shí)，可選取適當(dāng)?shù)臄?shù)量補(bǔ)加螺柱彎曲試驗(yàn)。

追加抽查法：當(dāng)在母材表面溫度低于10℃的情況進(jìn)行產(chǎn)品焊接時(shí)，應(yīng)在每100顆螺柱中抽檢1顆追加螺柱進(jìn)行彎曲試驗(yàn)，彎曲角度為30°。對(duì)于需要抽檢的螺柱若抽檢不合格，則應(yīng)成倍增加抽檢比例，直到抽檢的螺柱全部合格為止，對(duì)不合格的螺柱進(jìn)行返修。

（4）設(shè)備保養(yǎng) 應(yīng)建立焊接設(shè)備的日常維護(hù)計(jì)劃，以保證焊接設(shè)備控制焊接參數(shù)的部件得到維護(hù)檢查。同時(shí)，螺柱操作工根據(jù)“三好”（管好、用好、維護(hù)好），“四會(huì)”（會(huì)使用、會(huì)保養(yǎng)、會(huì)檢查、會(huì)排除簡(jiǎn)單故障）的要求，做好日常維護(hù)工作。

對(duì)正在使用的螺柱焊接設(shè)備，一級(jí)保養(yǎng)在每班工作中或工作后，以操作人員為主，動(dòng)力保障人員為輔；二級(jí)保養(yǎng)每半年進(jìn)行一次，以動(dòng)力保障人員為主，操作人員為輔。

焊機(jī)設(shè)備維修人員應(yīng)對(duì)每一臺(tái)螺柱焊機(jī)建立一份螺柱焊機(jī)維護(hù)臺(tái)帳，臺(tái)帳中包括被維修的螺柱焊機(jī)設(shè)備型號(hào)及編號(hào)、維修開(kāi)始及結(jié)束時(shí)間、故障現(xiàn)象、更換的零部件、維修結(jié)果是否合格等內(nèi)容。焊槍在焊接一萬(wàn)枚左右螺柱后進(jìn)行定期檢修一次。

4. 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)螺柱焊接工藝進(jìn)行評(píng)估，采用先進(jìn)的焊接設(shè)備，對(duì)操作人員進(jìn)行多次交底培訓(xùn)，有效提高了螺柱焊接控制過(guò)程的有效性和針對(duì)性，并通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接參數(shù)的自動(dòng)記錄，完善了螺柱焊接質(zhì)量控制體系的完整性，保證每顆螺柱焊接過(guò)程的可追溯性。

在車間螺柱焊接的質(zhì)量影響因素主要包括材料因素、焊接能量參數(shù)、焊槍行為參數(shù)、焊接過(guò)程不確定因素等若干方面。

為保證螺柱焊接的可靠與高效，在提高焊接產(chǎn)品質(zhì)量方面車間采取如下控制要點(diǎn)：

（1）在選用焊接材料時(shí)，優(yōu)先選用符合AWS標(biāo)準(zhǔn)的螺柱和陶瓷環(huán)，將是獲得良好焊接質(zhì)量的前提。

（2）材料因素中的螺柱及焊接工件的外形及表面狀態(tài)是影響焊接質(zhì)量的重要因素，焊接設(shè)備所提供的焊接熱輸入和焊槍行為對(duì)接頭質(zhì)量影響最大。

（3）采用科學(xué)的檢測(cè)手段將是輔助保證產(chǎn)品質(zhì)量的重要方法。

（4）螺柱操作工必須是經(jīng)過(guò)專業(yè)培訓(xùn)并取得相應(yīng)資質(zhì)的人員。

（5）施焊記錄資料的完整性，將為產(chǎn)品質(zhì)量信息做到有效追蹤。

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