窄間隙自動(dòng)焊技術(shù)的應(yīng)用與推廣

姜 煌，李興宇

（中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)浙江火電建設(shè)有限公司，杭州 310016）

0 引言

發(fā)電廠動(dòng)力管道焊接時(shí)，常用的焊接方法有2種：手工全氬弧焊接、手工氬弧焊打底加手工電弧焊填充和蓋面。對(duì)于大口徑厚壁管道，通常采用組合坡口型式，GTAW（氬弧焊）+SMAW（手工電弧焊）進(jìn)行多層多道焊，雖然焊接設(shè)備簡(jiǎn)單，但此型式的坡口寬度大，焊接熔敷金屬量大，焊材消耗多，焊接周期長(zhǎng)，并且焊接質(zhì)量不穩(wěn)定，受人為因素影響較大，特別是核電站中，基于“先漏后斷”（Leak-Before-Break）安全評(píng)定技術(shù)的管道，規(guī)定了焊接方法為氬弧焊，如果大口徑厚壁管采用手工氬弧焊，則更是耗材、耗時(shí)、耗力。因此窄間隙脈沖自動(dòng)氬弧焊的工藝近年開始從國(guó)外引進(jìn)，三門、海陽(yáng)AP1000核電項(xiàng)目，福清、寧德、方家山等CPR1000核電項(xiàng)目的一回路主管道焊接均采用了窄間隙自動(dòng)焊氬弧焊，取得較好的質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益。

1 窄間隙焊與手工焊的比較

NG-GTAW（窄間隙焊接技術(shù)）是在應(yīng)用傳統(tǒng)氬弧焊焊接方法和工藝基礎(chǔ)上，加上特殊焊絲、保護(hù)氣、電極向狹窄坡口的導(dǎo)入技術(shù)以及焊縫自動(dòng)跟蹤等特殊技術(shù)而形成的一種專門技術(shù)；機(jī)頭沿焊縫環(huán)繞管壁運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)全位置自動(dòng)焊接；自下而上的各層焊道數(shù)目通常為1或2道；采用小或中等熱輸入進(jìn)行焊接；易維持恒定的電弧長(zhǎng)度，焊接過程穩(wěn)定，容易獲得較高的焊縫質(zhì)量。相對(duì)于常規(guī)坡口手工焊，NG-GTAW有如下特點(diǎn)：

（1）焊縫坡口小，焊縫金屬?zèng)]有更換焊條或焊絲的接頭，在很大程度上減少了焊接材料。

（2）焊接熱輸入率小，焊后殘余應(yīng)力和殘余變形小。

（3）電弧自動(dòng)跟蹤，自動(dòng)化程度高，減少了人為因素，便于控制焊接質(zhì)量。

2 設(shè)備、材料的選擇

2.1 焊機(jī)的選擇

目前，在核電設(shè)備制造或安裝中使用的窄間隙自動(dòng)氬弧焊機(jī)主要來(lái)自加拿大和法國(guó)的兩家公司，文中選用加拿大利寶地公司的GT-Ⅵ型焊接電源和H型機(jī)頭作為試驗(yàn)機(jī)型。該焊機(jī)焊接電源穩(wěn)定性好，具有多功能特性，綜合性價(jià)比較高。

窄間隙自動(dòng)焊機(jī)主要由焊接電源、視頻監(jiān)視系統(tǒng)、焊接機(jī)頭和送絲（較直）機(jī)構(gòu)組成，另外可配一個(gè)遠(yuǎn)程控制手盒，采用與管道規(guī)格適配的軌道，機(jī)頭在軌道上行走進(jìn)行焊接。

為保證焊機(jī)機(jī)頭的順利行走及焊接，GT-Ⅵ型焊機(jī)H機(jī)頭的徑向外部最小需求空間約為240 mm，軸向最小需求空間約為375 mm。

2.2 坡口型式選擇

文中主要針對(duì)AP1000一回路主管道的材料（不銹鋼SA376 TP316LN）進(jìn)行窄間隙自動(dòng)氬弧焊工藝的研究。

利寶地H機(jī)頭焊接過程中的氣體保護(hù)主要通過大氣罩實(shí)現(xiàn)，焊接時(shí)，坡口內(nèi)僅鎢棒和送絲管伸入，因此窄間隙坡口可以加工小角度單面U型加膛孔或正面U型、背面V型等型式，如圖1、圖2所示。

單面U型加膛孔的焊口采用單面焊雙面成型工藝，對(duì)打底焊接質(zhì)量要求較高，而采用正面U型、背面V型時(shí)，須滿足管道內(nèi)部有足夠的空間允許人員進(jìn)入清根，并配備內(nèi)軌道進(jìn)行焊接，對(duì)打底焊質(zhì)量要求可適當(dāng)降低。具體坡口型式可根據(jù)管道規(guī)格、材質(zhì)和焊接要求選擇。

2.3 焊接材料的選擇

本次焊接焊絲選擇ER316L；鎢極采用規(guī)格為Φ4.0 mm的鑭鎢；保護(hù)氣體選用正面Ar 99.999%，背面99.99%。

4.1 TOFD由于是利用缺陷波的衍射原理和采用一發(fā)一收的至少兩個(gè)探頭進(jìn)行檢測(cè)，所以對(duì)于直管對(duì)彎頭處焊縫，就不能采取TOFD技術(shù)。相控陣技術(shù)不受此結(jié)構(gòu)的限制，可以單探頭進(jìn)行檢測(cè)。

焊機(jī)本身可選用Φ0.8 mm，Φ1.0 mm，Φ1.2 mm不同規(guī)格的盤狀焊絲，文中以Φ1.0 mm作為焊接工藝試驗(yàn)的焊絲，由于送絲機(jī)構(gòu)固定在機(jī)頭上，與機(jī)頭一起行走，焊絲盤規(guī)格和重量不宜過大，一般選用4 in標(biāo)準(zhǔn)盤，重量約5 kg。

圖1 單面U型坡口

圖2 正面U型、背面V型

ER316L焊絲化學(xué)成分及理化試驗(yàn)結(jié)果如表1、表2所示。

3 焊接工藝質(zhì)量控制

采用Φ688.85 mm×65 mm和Φ952.5 mm×82.5 mm規(guī)格、材質(zhì)為SA376 TP316LN型超低碳不銹鋼管進(jìn)行焊接工藝研究，進(jìn)行不同位置（2G，5G，6G）的焊接工藝試驗(yàn)，并對(duì)不同的組對(duì)間隙和錯(cuò)邊量進(jìn)行相應(yīng)試驗(yàn)。

手工氬弧焊一般采用向上焊，與其不同的是，窄間隙自動(dòng)焊可以采用周向全位置焊接或向上焊2種方式，采用向上焊的方式與手工焊類似，從6點(diǎn)位置分別向上焊至12點(diǎn)位置，熔池控制相對(duì)簡(jiǎn)單，但效率降低；采用周向全位置焊接時(shí)，可配備正反2個(gè)焊絲架，更換導(dǎo)絲桿方向依次反向焊接或通過改變起弧點(diǎn)焊接從而控制撓曲變形，可以提高焊接效率，減少接頭數(shù)量。

表1 ER316L焊絲化學(xué)成分

表2 焊絲復(fù)驗(yàn)理化試驗(yàn)結(jié)果

3.1 焊口組對(duì)

根據(jù)焊機(jī)本身的性能，為保證焊接質(zhì)量，應(yīng)嚴(yán)格控制焊口組對(duì)錯(cuò)邊量和組對(duì)間隙，錯(cuò)邊量盡量保證在0.5 mm以內(nèi)，組對(duì)間隙0~1 mm。組對(duì)完成后，在管道內(nèi)壁進(jìn)行點(diǎn)固塊點(diǎn)固。

3.2 背面充氬保護(hù)

在管道內(nèi)部設(shè)置充氬堵板或制作氣室，采用99.99%以上的純氬提前充氣30 min~1 h，確保氣室內(nèi)氧氣含量不大于1%。

3.3 打底焊

打底焊起弧一般選擇上45°位置并向上焊接，具體焊接方向根據(jù)機(jī)頭配置及焊絲盤布置方向而定，以利于對(duì)熔池質(zhì)量的控制，采取周向焊接方式，中間不?；?，一次性完成打底焊接，如圖3所示。

圖3 打底焊起弧位置示意

3.4 熱焊

打底焊完成后，應(yīng)立即進(jìn)行熱焊，以防止根部焊縫受到破壞。

為保證坡口兩側(cè)熔合良好，熱焊采用分道焊，通過調(diào)整機(jī)頭傾斜角度，分2道進(jìn)行焊接。

3.5 填充焊

打底焊、熱焊及填充焊均采用脈沖弧工作模式。焊接時(shí)，鎢棒不擺動(dòng)，利用脈沖峰值電流的沖擊力擴(kuò)張熔池，使熔池與側(cè)壁良好地熔合，同時(shí)，過程中采用基值小電流焊接，可以有效控制焊接熱輸入。

填充焊時(shí)，為保證坡口兩側(cè)熔合良好，根據(jù)坡口寬度與所選擇的焊接工藝參數(shù)綜合比較，當(dāng)坡口寬度達(dá)到8 mm時(shí)，宜采用分道焊接，否則單道焊接。

填充焊每層焊縫接頭錯(cuò)開，而且根據(jù)焊縫收縮產(chǎn)生的撓曲變形，可以改變起弧點(diǎn)來(lái)調(diào)整撓曲變形方向和變形量。

為防止背面根部焊縫重復(fù)受熱二次氧化，在焊縫焊至15 mm后，再停止背面充氬保護(hù)，拆除充氬保護(hù)裝置。

打底焊、熱焊及填充焊的焊道分布見圖4。

圖4 焊道分布示意

3.6 蓋面焊

蓋面焊時(shí)，根據(jù)焊口位置的不同，選擇不同的蓋面方式。

5G位置和6G位置焊口蓋面采用同步脈沖模式，鎢棒隨機(jī)頭進(jìn)行擺動(dòng)，峰值電流出現(xiàn)在左右停留時(shí)間段，蓋面單道成型，兩側(cè)與母材熔合良好。2G位置仍采用脈沖弧工作模式，從下往上分道焊接。同步脈沖電流如圖5所示。

圖5 同步脈沖電流示意

當(dāng)蓋面完成后，由于管道表面焊口附近受焊縫縱向收縮影響，局部有低于母材的縮頸現(xiàn)象，因此，從坡口兩側(cè)分別往外側(cè)進(jìn)行填充，最終與管道表面平滑過渡。蓋面焊及縮頸填充示意如圖6所示。

圖6 蓋面焊及縮頸填充示意

3.7 焊接工藝評(píng)定

經(jīng)過多個(gè)焊口不同位置的焊接工藝試驗(yàn)后，最后對(duì)Φ688.85 mm×65 mm單面U型坡口型式焊口進(jìn)行6G位置焊接工藝評(píng)定，焊接工藝參數(shù)設(shè)置見表3。

焊縫經(jīng)過15 mm，50%壁厚及100%壁厚3次RT（射線檢測(cè)）檢驗(yàn)結(jié)果均合格，焊接工藝評(píng)定力學(xué)性能及理化性能結(jié)果見表4、表5及表6。

宏觀及微觀金相照片如圖7所示。

4 結(jié)語(yǔ)

從SA376 TP316LN不銹鋼管焊接工藝試驗(yàn)的結(jié)果來(lái)看，窄間隙自動(dòng)氬弧焊完全可以焊出質(zhì)量?jī)?yōu)良的焊接接頭，并且通過測(cè)算，1只Φ688.85 mm×65 mm的焊口焊絲用量?jī)H約7.5 kg，而常規(guī)坡口手工焊（GTAW+SMAW）的焊材用量約60~70 kg。窄間隙自動(dòng)氬弧焊在大口徑厚壁管道的焊接中具有較大的優(yōu)勢(shì)，如果焊接碳鋼管道或合金鋼管道，焊機(jī)還帶有熱絲焊功能，效率是冷絲焊的3~5倍。因此，窄間隙自動(dòng)氬弧焊接技術(shù)不僅僅在核電施工中得到快速發(fā)展，也適合在常規(guī)火電廠的大口徑厚壁管道焊接作業(yè)中進(jìn)行推廣和應(yīng)用。

表3 焊接工藝評(píng)定焊接參數(shù)

表4 焊接工藝評(píng)定焊縫化學(xué)成分與δ鐵素體測(cè)定結(jié)果 %

表5 焊接工藝評(píng)定力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

表6 焊接工藝評(píng)定金相試驗(yàn)結(jié)果

圖7 宏觀及微觀金相照片

[1]鍋爐及壓力容器無(wú)損檢測(cè)規(guī)范：ASMEⅡ[S].北京：中國(guó)石化出版社，2015.

[2]焊接和釬焊評(píng)定：ASMEⅨ[S].北京：中國(guó)石化出版社，2015.

[3]鍋爐及壓力容器規(guī)范 焊條焊絲及填充材料：ASMEⅡ-C[S].北京：中國(guó)石化出版社，2015.

[4]鐵基材料：ASMEⅡ-A[S].北京：中國(guó)石化出版社，2015.

[5]林誠(chéng)格，郁祖盛.非能動(dòng)安全先進(jìn)核電廠AP1000[M].北京：原子能出版社，2008.

[6]易耀勇，劉觀輝，劉美華，等.窄間隙TIG焊技術(shù)在核電設(shè)備制造中的應(yīng)用[J].熱加工工藝，2013（11）∶42.

[7]席少靜，李慧，孫清潔，等.鈦合金窄間隙TIG焊技術(shù)及質(zhì)量控制講述[J].長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，35（3）∶241-245.

[8]鄭喜剛，趙勇，蔣成禹.鈦合金窗間隙TIG焊技術(shù)研究[J].鈦工業(yè)進(jìn)展，2006，23（5）∶40-43.

[9]王環(huán)麗，楊慶旭，曾勇.脫硫攪拌器葉片焊接試件耐腐蝕性能試驗(yàn)與研究[J].江蘇電機(jī)工程，2016，35（4）∶87-91.

[10]張建強(qiáng)，郭嘉琳，李太江，等.12Cr18Ni12Ti/12Cr1MoV異種耐熱鋼焊接接頭蠕變數(shù)值模擬[J].廣東電力，2016，29（7）∶1-4.