核電站不銹鋼水池?zé)峤z自動焊工藝探討

徐連玉

摘 要：近年來，在社會經(jīng)濟(jì)穩(wěn)步發(fā)展的背景下，我國核電事業(yè)呈現(xiàn)了較為快速的發(fā)展趨勢。為了實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，對環(huán)境起到保護(hù)作用，達(dá)到節(jié)能降耗的作用，有必要在核電站建設(shè)工作開展過程中，做好各個環(huán)節(jié)的優(yōu)化工作。比如，核燃料的處理，便是一項值得關(guān)注的問題。從現(xiàn)狀來看，核燃料在達(dá)到一定燃耗深度的條件下，基于堆芯卸出之后，還存在比較高的衰變熱，由于無法及時進(jìn)行處理，因此需要暫時在燃料池當(dāng)中存儲。目前在乏燃料保存過程中，主要采取濕法保存，也就是把乏燃料于乏燃料池當(dāng)中保存?？紤]乏燃料所采用的不銹鋼水池的質(zhì)量及性能，需采取有效的焊接工藝。本課題便重點圍繞核電站不銹鋼水池?zé)峤z自動焊工藝進(jìn)行分析研究，以期提高其焊接效果，保證核電站生產(chǎn)作業(yè)的質(zhì)量及安全性。

關(guān)鍵詞：核電站;不銹鋼水池;熱絲;自動焊工藝

中圖分類號：TG409 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）18-0070-02

0 引言

在核電站日常生產(chǎn)工作開展過程中，加強(qiáng)核燃料的保護(hù)非常關(guān)鍵。而對于核電站的核燃料，通常需在乏燃料池中暫時保存。注意的是，乏燃料池冷卻系統(tǒng)和燃料操作系統(tǒng)之間存在密切的聯(lián)系，同時兩者之間各自獨(dú)立，存在自身的功能，主要對保存的乏燃料所生產(chǎn)的衰變熱進(jìn)行排出處理，進(jìn)一步使乏燃料池當(dāng)中的水溫能夠控制在一個運(yùn)行范圍內(nèi)。從以往的工作經(jīng)驗來看，核電站不銹鋼水池的人工焊接工藝作業(yè)效率低，難以解決實際性問題，因此提出改進(jìn)人工焊接工藝的思路，采取自動焊工藝技術(shù)。鑒于此，本課題圍繞“核電站不銹鋼水池?zé)峤z自動焊工藝”進(jìn)行分析研究具備一定的價值意義。

1 核電站不銹鋼水池?zé)峤z自動焊工藝思路的提出

本課題以某核電站為例，在乏燃料池水箱材質(zhì)方面，選擇了俄羅斯08X18H10T奧氏體不銹鋼，該不銹鋼材料和304L不銹鋼成分比較相似，但是在碳（C）含量方面比較高，并且不銹鋼水箱部分焊縫與母材之間會有斑點腐蝕情況存在。在投入使用時間越來越長的情況下，受到腐蝕的區(qū)域易有腐蝕裂紋產(chǎn)生，進(jìn)一步使水箱當(dāng)中的硼酸溶液出現(xiàn)泄漏的情況。以往，該核電站在乏燃料池水箱泄漏故障的處理方面，所使用的是人工打補(bǔ)丁的處理方法，也就是基于裂紋附近采取不銹鋼板，然后通過角焊縫的方式實施焊接作業(yè)，但是此類焊接工藝存在一些較為明顯的問題，總結(jié)起來包括：（1）焊工基于輻射環(huán)境條件下實施補(bǔ)焊作業(yè)，有輻射危險存在，并且施工效率比較低;（2）奧氏體不銹鋼材料的耐氯離子腐蝕能力比較差;（3）存在腐蝕的區(qū)域，在時間越長的情況下，越來越嚴(yán)重，采取一般的檢修方法很難完全解決此類故障[1]。

針對上述問題，考慮到今后核電水箱檢修工作效率及質(zhì)量的提升，提出基于原水箱表面進(jìn)行鋪設(shè)及焊接一層耐腐性更好的雙相不銹鋼板材，即重新制作一個新水箱的方法思路。此外，在核電站不銹鋼水池焊接工藝方面，改進(jìn)人工焊接的不足，使用了自動焊接工藝技術(shù)方法。

2 自動焊工藝技術(shù)要點分析

2.1 系統(tǒng)設(shè)備的選用

根據(jù)上述分析，在核電站不銹鋼水池?zé)峤z自動化工藝開展過程中，涉及不銹鋼水池專用熱絲焊接系統(tǒng)設(shè)備的使用，該系統(tǒng)設(shè)備為我國自主研發(fā)，設(shè)備構(gòu)成包括：其一，焊接機(jī)頭;其二，福尼斯熱絲焊接電源;其三，焊接控制柜等。其中，對焊接機(jī)頭來說，主要構(gòu)件為：送絲機(jī)構(gòu)、車身、水-電-氣一體化焊槍、真空導(dǎo)軌以及手動吸盤等;采取的福尼斯熱絲焊接電源涵蓋了福尼斯Magic Wave5000焊機(jī)以及福尼斯TransTig2200熱絲電源;此外，在焊接控制柜方面，采取了PLC作為核心控制模塊，使通信功能、邏輯處理工鞥以及數(shù)據(jù)運(yùn)算功能得到有效實現(xiàn)[2]。

2.2 母材性能分析

在本次試驗過程中，采取2205雙相不銹鋼板材作為母材，其厚度為3mm;從該母材的組織構(gòu)成來看，包括了奧氏體及鐵素體，均占50%的比重。值得注意的是，此次采取的雙相不銹鋼母材和奧氏體不銹鋼母材比較情況，其耐磨性、抗腐蝕性、抗疲勞性均更優(yōu)。此外，結(jié)合母材的化學(xué)成分及力學(xué)性能，本次選擇了直徑1.2mm的ER2209焊絲作為焊接材料。如表1所示，為所選母材和焊材的各組化學(xué)成分，即質(zhì)量分?jǐn)?shù)（%）分布情況。

值得注意的是，此次試驗過程中，采取了搭接接頭模式，將氬氣（99.99%）作為保護(hù)氣體。具體的試驗操作要點如：（1）基于試驗工作開展之前，需針對待焊的母材的邊緣20mm范圍內(nèi)區(qū)域做好打磨處理工作，進(jìn)一步采取丙酮進(jìn)行擦拭，然后進(jìn)行烘干處理。（2）通過線切割機(jī)的使用，對適宜尺寸的試樣切取好，然后采取丙酮進(jìn)行清洗，清洗干凈以后，對試樣進(jìn)行鑲嵌處理;在試樣磨制過程中，需應(yīng)用到400#-2000#的金相砂紙;在試樣拋光方面，則需采取拋光機(jī)進(jìn)行處理。（3）試樣在精拋之后，其表面需采取王水腐蝕劑進(jìn)行腐蝕處理，該腐蝕劑由硝酸與鹽酸以3：1的比例配制而成;腐蝕處理之后，再采取酒精清洗試樣，清洗干凈之后吹干。（4）利用OLYMPUS-DSX510光學(xué)顯微鏡，對試樣的微觀組織進(jìn)行仔細(xì)觀察;進(jìn)一步通過HV-1000DT硬度測量儀的應(yīng)用，分析試樣的顯微硬度，將加載荷載控制在2N，將加載時間控制在10s。

3 自動焊工藝技術(shù)實施的效果分析

本次試驗采取以上自動焊工藝技術(shù)，和傳統(tǒng)的TIG焊方法比較，效果明顯更加理想，下面重點從“熱絲電流對熔敷效率的影響”、“熱絲電流對焊縫成形的影響”以及“熱絲TIG焊對絎縫組織及力學(xué)性能的影響”三方面進(jìn)行分析，以了解自動焊工藝技術(shù)實施的效果，具體內(nèi)容如下。

3.1 熱絲TIG焊對絎縫組織及力學(xué)性能的影響分析

熱絲TIG焊和傳統(tǒng)的TIG焊比較，存在較大的優(yōu)勢，即通過對焊絲預(yù)熱，使熱輸入增大，使熔化速度提升，進(jìn)一步使生產(chǎn)效率提升。本次試驗主要在對其他焊接工藝參數(shù)不變進(jìn)行控制的條件下，對平板堆焊過程中，熱絲電流對焊絲熔敷效率的影響進(jìn)行分析。將試驗期間焊接電流控制在130A，將焊接速度控制在每分鐘125mm，將電弧電壓控制在11V，熱絲電流則從10A慢慢擴(kuò)增到120A，進(jìn)一步對焊絲的熔敷效率進(jìn)行檢測。考慮到試驗結(jié)果的精準(zhǔn)，每一組試驗均需進(jìn)行3次測量，并將帶誤差棒的試驗表格繪制出來。

試驗結(jié)果表明：在焊接電流及電弧電壓不變的條件下，在熱絲電流不斷變大的情況下，焊絲的熔敷效率呈現(xiàn)逐步提升，達(dá)到峰值后則呈下降勢態(tài);究其原因，是因為在熱絲電流變高的情況下，電阻熱變大，使焊絲熔化加速。在熱絲電流變大到80A的情況下，隨熱絲電流的變大，焊絲熔化的速度提升幅度減弱;究其原因，是因為在送絲速度提升的條件下，焊絲預(yù)熱溫度和預(yù)熱電流之間的關(guān)聯(lián)性變緩[3]。此外，在熱絲電流增大到120A的情況下，焊絲的預(yù)熱溫度比焊絲的熔點高，焊絲沒有送至熔池就被熔化，導(dǎo)致焊絲沒有辦法正常地送至熔池。

3.2 熱絲電流對焊縫成形的影響分析

在分析研究熱絲電流對焊縫成形的影響過程中，本次主要對其他焊接工藝參數(shù)控制不變，只對熱絲電流進(jìn)行改變，進(jìn)一步對平板堆焊過程中，熱絲電流對焊縫成形所產(chǎn)生的影響。結(jié)合上述研究獲取的數(shù)據(jù)，進(jìn)一步將焊接電流設(shè)置為130A，將焊接速度設(shè)置為每分鐘125mm，將電弧電壓設(shè)置為11V，將送絲速度設(shè)置為每分鐘1500mm，熱絲電流則從40A慢慢增加到100A，進(jìn)一步對焊縫的熔寬及余高進(jìn)行分別檢測。

試驗結(jié)果表明：在熱絲電流不斷變大的情況下，焊縫的余高呈現(xiàn)逐漸變小的勢態(tài)，但焊縫熔寬則呈現(xiàn)逐漸變大的勢態(tài);由此可得，熱絲電流對焊縫金屬的鋪展具備促進(jìn)作用。

3.3 熱絲TIG焊對絎縫組織及力學(xué)性能的影響分析

結(jié)合上述試驗分析，可知添加熱絲電流，能夠使焊絲的熔敷效率得到有效提升，進(jìn)一步使焊縫成形得到有效改善。值得注意的是，熱絲TIG焊和普通的TIG焊比較，在焊縫組織及力學(xué)性能方面，均更理想[4]。采取熱絲TIG焊工藝，送絲速度為1500mm/s，熱絲電流為100A，電弧電壓為11V，焊接速度為130mm/min，然后進(jìn)行模擬核電站水池不銹鋼板的搭接試驗，結(jié)果顯示，和普通的TIG焊比較，熱絲TIG焊工藝的優(yōu)勢體現(xiàn)在。

（1）焊縫微觀組織優(yōu)勢：基于焊縫微觀組織層面分析，熱絲TIG焊的塊狀及柱狀奧氏體尺寸及數(shù)量均顯著降低，微小的等軸奧氏體數(shù)量則明顯增加，同時鐵素體數(shù)量降低，焊縫微觀組織顯得更具均勻性。（2）焊縫組織優(yōu)勢：雙相不銹鋼的使用，使鐵素體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體的速度加快。同時，和普通的TIG焊比較，熱絲TIG焊經(jīng)熱絲電流實現(xiàn)對焊絲的預(yù)熱，使焊接電流變小，使焊縫熱輸入下降，進(jìn)一步讓焊縫組織顯得更加細(xì)密及均勻。（3）顯微硬度優(yōu)勢：熱絲TIG焊和普通的TIG焊比較，其硬度更高，這和熱絲TIG焊的焊縫組織更加細(xì)密及均勻密切相關(guān)。（4）抗拉強(qiáng)度優(yōu)勢：熱絲TIG焊和普通的TIG焊比較，抗拉強(qiáng)度更高，本次實驗結(jié)果顯示熱絲TIG焊的抗拉強(qiáng)度為663.13MPa，普通TIG焊則為613.11MPa，經(jīng)統(tǒng)計學(xué)軟件分析，兩者計數(shù)數(shù)據(jù)差異明顯，P<0.05，因此，熱絲TIG焊的抗拉強(qiáng)度具備明顯優(yōu)勢。

4 結(jié)語

綜上所述，核電站不銹鋼水池?zé)峤z自動焊工藝技術(shù)的應(yīng)用非常重要，和普通的TIG焊工藝方法比較，熱絲TIG焊的優(yōu)勢明顯，焊縫微觀組織更具均勻性，焊縫組織更加細(xì)密及均勻，顯微硬度更高，抗拉強(qiáng)度更高;這主要是因為熱絲TIG焊經(jīng)熱絲電流實現(xiàn)對焊絲預(yù)熱，使焊接電流減小，進(jìn)而使各方面的優(yōu)勢體現(xiàn)出來。因此，需掌握核電站不銹鋼水池?zé)峤z自動焊工藝技術(shù)，合理使用熱絲TIG焊，滿足核電站不銹鋼水池的日常工作需求，使核燃料處理效率提高，進(jìn)一步提升核電站整體工作效率及質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)

[1] 齊欣.我國核電不銹鋼水池焊接工藝取得新突破[J].現(xiàn)代焊接，2013（1）：38.

[2] 楊興華.不銹鋼等離子弧自動焊工藝應(yīng)用[J].焊接技術(shù)，2012（12）：26-29.

[3] 王麗，高軍松，吳道文.自動焊堆焊雙相不銹鋼2205工藝[J].焊接技術(shù)，2010（2）：61-63.

[4] 潘國偉，劉金平，許佳杰，王海東.核電站不銹鋼水池?zé)峤z自動焊工藝研究[J].焊接技術(shù)，2018（7）：36-39.